Nanoschaum

Nanoschaum ist ein zukunftsfähiger Stoff der heute schon als Prototyp und sogar in der Massenfertigung verbaut wird. Er hat vielfältige Anwendungsbeispiele von denen ich euch einige zeigen werde.

Als erstes erkläre ich euch was Nanoschaum ist und aus welchen Bestandteilen er besteht.

Nanoschaum ist die Bezeichnung für eine Modifikation von Kohlenstoff. Er besteht aus kleinen Kohlenstoff-Clustern die wenige Nanometer groß sind und eine geordnete Struktur haben., Nanoschaum hat einen festen Aggregatzustand und hat eine dichte von etwa 2 mg/cm3. 

Diese Abbildung soll die Größenverhältnisse in der Forschung des Nanoschaums verdeutlichen.
In der rechten Seite des Bildes ist ein herkömmlicher Schaum mit der Porengröße von 100-150 µm.In der Mitte der  aktuelle Stand der Dinge in der Forschung mit 3-4 µm . Und rechts die Vision des Nanoschaums mit 0.5 µm Porengröße.

Die Herstellung erfolgt durch einen Laser der den Kohlenstoff Vakuumkammer verdampft. Der Kohlenstoffdampf kondensiert an einer Silizium-Platte. Dadurch entsteht die Struktur des Nanoschaums.

Ein Anwendungsbeispiel des Nanoschaums ist seine Anwendung als Dämpfungsmaterial.

Dabei werden etwa 20 Nanometer große Nanoröhrchen aus Kohlenstoff verwendet, da sie stark komprimierbar, „entfaltbar“ und sehr widerstandsfähig gegen Chemikalien sind.

Nanoschaum als Dämmstoff hat auch sehr spezielle Eigenschaften.

Der als Nanoschaum verwendete Polyurethanschaum ist einer der besten Dämmstoffe mit dem sogar doppelte Leistungsfähigkeit möglich. Verwendet wird er bei der Hausdämmung oder auch bei Kühlschränken.Zwar verbrauchen erneuerte Kühlschrankmodelle mit modernisierter Technik immer weniger Energie. Jedoch würden dir revolutionären Dämstoffe das neue Maß aller Dinge sein.

Der Polyurethanschaum wird die Wärmedämmung mindestens verdoppeln, den Energieverbrauch von Kühlgeräten also mit einem Schlag halbieren und obendrein dank dünnerer Dämmschicht mehr Stauraum schaffen. Nach der jetzigen Energieskala müsste solch ein Kühlschrank einen Effizienz-Klasse-Aufkleber A++++ tragen.

Ich möchte noch auf einen sehr interessanten Artikel verweißen in dem die Zukunft des Nanoschaums analysiert wird:

http://www.welt.de/wissenschaft/innovationen/article5943852/Deutscher-Forscher-erfindet-den-Schaumstoff-neu.html

Sowie auch noch auf eine Broschüre der Firma Bayer:

http://www.research.bayer.de/ausgabe-21/21_energieeffizienz.pdfx

Risiken Nanotechnologie

Nanoteilchen sind überall. So essen wir sie sie, tragen sie am Körper oder schmieren sie uns ins Gesicht.

Doch sind sie wirklich so gut für unseren Körper und die Umwelt?

Zum einen kann man sagen, dass sie sehr hilfreich sein können. So töten sie Keime ab, wirken antibakteriell und geruchshemmend und verhindern Algen und Pilze.

Doch die Risiken von Nanotechnologie wurde bisher sehr wenig erforscht. Deshalb, so das Umweltbundesamt, soll man Produkte, die Nanotechnologie enthalten oder durch Nanotechnologie hergestellt wurden, so gut es geht vermeiden. 

Will man die Risiken der Nanotechnologie für Mensch und Umwelt untersuchen, muss man unterscheiden, ob die Nanopartikel fest in einen Stoff eingebunden sind oder in freier Form vorliegen.

Sind die Nanopartikel fest in Materialien eingebunden, ist kaum eine Gefährdung für Mensch und Umwelt zu erwarten.

Diejenigen Nanopartikel jedoch, die als freie Teilchen in Produkten enthalten sind und unkontrolliert freigesetzt werden können, sind sehr gefährlich. Denn die kleinen Nanoteilchen können bspw. bis in kleinste Lungenbläschen vordringen und dadurch die Atmung erschweren. Manche Teilchen gelangen auch von der Lunge in das Blut und damit dann auch in jedes Organ im menschlichen Körper. 

Bei Tierversuchen wurde festgestellt, dass die Nanoteilchen bis in die Körperzellen vordringen können und dadurch die DNS schädigen können. Nanoröhrchen, die aus Kohlenstoff hergestellt wurden, können Erkrankungen hervorrufen, ähnlich wie Asbestfasern (z.B. Lungenkrebs)

Doch nicht nur für den menschlichen Körper oder für Tiere sind Nanoteilchen ein Risiko.

So verlieren Socken, die Nanosilber enthalten, bei jedem Waschgang die Hälfte der Nanopartikel. Das Schmutzwasser aus der Waschmaschine gelangt in eine Kläranlage, wo die Nanopartikel Bakterien zerstören. Bakterien sind jedoch in einer Kläranlage erwünscht, da sie z.B. das Schmutzwasser zersetzen. 

Obwohl die Risiken der Nanotechnologie bekannt sind, gibt es mittlerweile über 800 Produkte die Nanotechnologie enthalten. Jeder sollte sich genau überlegen, ob er solche Produkte verwenden möchte.

Zum Thema Gefahren und Risiken der Nanotechnologie möchten wir auf folgende Links verweisen:
http://www.sueddeutsche.de/wissen/nanotechnologie-winzlinge-mit-grossem-gefahrenpotential-1.39730 
http://www.umweltbundesamt.de/gesundheit/stoffe/nanopartikel.htm 

Versuch Nanosilber

Wir haben mit Hilfe eines Nähragrarboden festgestellt, ob Nanosilber wirklich keimäbtötend wirkt.

Wir nahmen einen fertigen Nähragrarboden und teilten diesen mit Hilfe eines Stiftes in zwei Hälften auf. Auf die eine Hälfte strichen wir Nanosilber, welches wir davor hergestellt hatten, auf die andere Hälfte strichen wir nichts.

Anschließend gaben wir auf beide Hälften etwas Schmutz, Erde und Lehm.

Nähragrarboden, links mit Nanosilber und Erde, rechts nur Erde

Als der Nähragrarboden mit Schmutz, Lehm und Erde bedeckt war, taten wir wieder den Deckel drauf und befestigten den Deckel mit Klebeband. Dadurch wollten wir erreichen, dass keine anderen Bakterien, Pilze oder Schimmel auf unseren Nähragrarboden gelangen konnten.

Nachdem 1 Woche vergangen war, entfernten wir den Deckel und schauten uns das Ergebnis des Versuchs an. 

Ergebnis: 

Auf der Seite, auf die wir Nanosilber gestrichen haben, sind Lehm, Schmutz und Erde verschwunden.
Auf der Seite ohne Nanosilber, konnte man sehr gut sehen, dass sich auf Schmutz, Erde und Lehm große Kolonien von Pilzen, Bakterien und Schimmel gebildet haben.

Erklärung:

Da Nanosilber keimtötend wirkt, können sich auf der oberen Hälfte Bakterien, Pilze und Schimmel, die sich in Schmutz, Erde und Lehm befinden, nicht ausbreiten.

Nähragrarboden nach 1 Woche: oben mit Nanosilber, unten ohne Nanosilber

StoClimasan

Eigenschaften StoClimasan:    

-          sehr gut deckend

-          Abbau von organischen Schadstoffen und geruchsbildenden Substanzen.

Hierbei verweisen wir auch gerne auf folgende Webseite:

http://www.farbenklick.de/product_info.php/products_id/389

Eigenschaften Dispersionsfarbe:

-     gut deckend

-     fleckenbeständig

-     riechen kaum

-     schnell trocken

Hierbei verweisen wir Sie gerne auch auf die folgende Webseite:

http://www.heimwerker.de/heimwerker/heimwerker-beratung/wandgestaltung-und-dekoration/malen-und-farbe/wandfarbe-und-deckenfarbe/farben-mit-qualitaet.html

Auswertung Dispersionsfarbe contra StoClimasan:

Wir nahmen ein Stück Tapete und unterteilten das Stück in zwei Hälften. Auf die eine Hälfte haben wir die StoClimasan Farbe (bei uns war es die weiße Farbe) gestrichen, auf die andere haben wir eine normale Dispersionsfarbe (in unserem Fall rot) gestrichen.

Wenn Sie etwas mehr über die Stoclimasan Farbe herausfinden wollen, verweisen wir gerne auf folgende Webseite, auf der man noch mehr Informationen über die Farbe erhält.

http://sto.de/97421_DE-StoColor_Climasan-Kisch.htm

Außerdem ist folgender Link sehr informativ. Auf diesem kann man noch mal die Eigenschaften der StoClimasan Farbe sehen.

http://sto.de/103541_DE-Uebersicht-Lotusan.htm

 

So wurde die Tapete getrocknet

Anschließend haben wir beide Hälften mit einer Lampe und einem Föhn getrocknet. Als die beiden Hälften getrocknet waren haben wir auf beide Seiten eine Tintenlösung (Lösung aus Tinte und Wasser) und Deo gesprüht. Wir wollten herausfinden, ob die StoClimasan tatsächlich Geruchs absorbierend und Schmutz abweisend ist.

Auf der linken Bildhälfte erkennt man die Tintenlösung

Nach 1 Woche haben wir beide Hälften hinsichtlich Geruch des Deos und Sichtbarkeit der Tintenlösung verglichen.

Ergebnis: Auf der Hälfte der Tapete, auf der wir die normale Dispersionsfarbe aufgetragen haben, konnte man das Deo noch ein bisschen riechen, die Tintenlösung war noch sichtbar.

Auf der anderen Hälfte, die Hälfte mit der StoClimasan Farbe, konnte man das Deo nicht mehr riechen, die Tintenlösung war verschwunden.

Erklärung: Das ist so, weil in der StoClimasan Farbe ein Photokatalysator eingebaut ist. Durch den Photokatalysator werden organische Verbindungen in Kohlendioxid und Wasser aufgespalten. Eine organische Verbindung ist ein Gerüst aus Kohlenstoff.

Um diesen Effekt noch ein bisschen besser zu verstehen, verweisen wir gerne noch auf folgende Webseite:

http://www.sto.com/evo/web/sto/81782e_DE-.htm?moveId=1#top

Nanosilber

Bevor wir erklären wollen, was  Nanosilber ist, wollen wir kurz auf den Begriff Silber eingehen.

Silber ist das meistgebrauchte Edelmetall. Das Silberion Ag⁺ ist wirksam gegen eine Vielzahl von Mikroorganismen, wie Pilze, Bakterien und Viren.

1.      Was ist Nanosilber?

Unter Nanosilber versteht man Partikel von elementarem Silber, welche kleiner sind als 10nm. Schon bei niedrigen Silberkonzentrationen zeigt Nanosolber ein hohes toxisches Potenzial. Im Vergleich zum Silber ist beim Nanosilber das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen in Form größerer Partikel viel höher. Durch die größere Oberfläche wird die Bildung von keimtötenden Silberionen stark begünstigt.

Dies bedeutet also, dass Keime, wie z.B. Bakterien oder Pilze durch Nanosilber abgetötet werden können.

2.      Wo wird Nanosilber verwendet?

Verwendung bei:                          Wirkungsweise:

Lebensmittelverpackungen          abtöten von Keimen auf den Lebensmitteln

Sportkleidung                                  antibakteriell und geruchshemmend

Wandanstriche                               Verhinderung von Algen, Pilzen

Medizin                                             Desinfektion und Schutz von Keimen

Es gibt ca. 250 Produkte mit Nanosilber am Weltmarkt.

3.   Wie wird Nanosilber hergestellt?

Es gibt zwei Verfahren mit denen man Nanometalle herstellen kann.

1.      Top-Down Verfahren: z.B. Ag-Drähte werden mechanisch in einem explosiven Gasgemisch zu Partikeln in Größe von 10-15 nm zerkleinert.

2.      Bottom-Up Verfahren: Einzelne Atome reagieren so lange miteinander, bis die gewünschte Teilchengröße erreicht ist. Außerdem muss das Wachstum durch adsorbierende Teilchen gestoppt werden.

4.   Warum ist Nanosilber so beliebt?

Es ist beliebt, weil die Leitfähigkeit von Wärme und Elektrizität besser ist als bei anderen Metallen. Beim Nanosilber ist das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen in Form größerer Partikel viel höher. Durch die größere Oberfläche wird die Bildung von keimtötenden Silberionen stark begünstigt.

Durch das Nanosilber können neue Materialien geschaffen werden, die mit größeren Silberpartikeln gar nicht hergestellt werden könnten. So können z.B. synthetische Polyfasern hergestellt werden.

5.      Warum ist es gefährlich?

Nanosilber kann Zellen von Bakterien schädigen, indem durch Nanosilber die Zellmembran oder wichtige Enzyme beschädigt oder zerstört werden. Wird Nanosilber häufig eingesetzt, könnten nützliche Bakterien zerstört werden. Auch kann der Einsatz von Nanosilber zu erhöhter Antibiotikaresistenz bei Bakterien führen. Dies wäre bei Behandlung von Infektionen ein großes Problem.

Bsp. Bei Mäusen wurde nach der Hinzugabe von Nanosilber eine Akkumulation des Metalls in verschiedenen Geweben festgestellt, was zu motorischen Schäden führen kann.

Hier möchten wir auf eine aktuelle Studie des BUND verweisen:

http://www.medizinauskunft.de/artikel/aktuell/2011/14_04_nanosilber.php

6. Unsere Herstellung von Nanosilber

Wir haben mit Hilfe von Silbernitratslösung und Natriumcitratlösung Nanosilber hergestellt.

Dazu haben wir 10 ml der oben genannten Silbernitratlösung in einem Becherglas erhitzt. Als die Silbernitratlösung ca. 50°C erreicht hatte, gaben wir 0.4 ml Natriumcitratlösung hinzu.

Herstellung von Nanosilber

Anschließend, als die Lösung einen schwach gelben Ton erreicht hatte, nahmen wir die Lösung vom Feuer und stellten sie gleich in ein Becherglas, das mit kaltem Wasser gefüllt war um das Nanosilber (Lösung aus Silbernitrat und Natriumcitrat) zu kühlen.

Nanosilber während der Abkühlung

Diese haben wir hergestellt, indem wir das eine Ende der Ampulle abbrachen und nachdem wir die Flüssigkeit eingefüllt hatten, dieses Ende erhitzten. Als es heiß genug war, drehten wir das erhitzte Ende, so dass die Ampulle verschlossen war.

Fertiges Nanosilber in einer kleinen geschlossenen Ampulle

7.  Wirkt Nanosilber wirklich keimtötend?

Wir nahmen einen fertigen Nähragrarboden und teilten ihn mit Hilfe eines Stiftes in zwei Teile auf. Anschließend bestrichen wir die eine Seite mit einem Wattestäbchen, das wir vorher in unser hergestelltes Nanosillber getaucht haben.

Außerdem taten wir noch Schmutz, Erde, und Brotkrumen auf beide Hälften des Nähragrarbodens.

Nachdem 1 Woche vergangen war, schauten wir uns wieder den fertigen Nähragrarboden an, und verglichen die beiden Seiten mit einander.

Ergebnis: Auf der Seite, auf die wir Nanosilber gestrichen haben, konnten sich die Keime und Bakterien, die wir zuvor drauf getan hatten, nicht ausbreiten.

Auf der Seite ohne Nanosilber jedoch, konnten sich die Bakterien und Keime ungehindert ausbreiten.

Begründung: Nanosilber wirkt keimtötend und antibakteriell.

Auf der Seite ohne Nanosilber konnten sich die Bakterien, Pilze und Keime ungehindert ausbreiten, da ein Nähragrarboden das Wachstum von Pilzen, Keimen und Bakterien fördert. 

Easy-to-Clean Oberflächentechnik

Hallo, 

Hier könne ihr etwas Interessantes über den Easy-to-Clean Effekt lesen.

Wie funktioniert der Easy-to-Clean Effekt ?

Eine Veränderung von vernetzbaren Nanopartikeln mit wasserabweisenden

Molekülketten führt nach der Härtung zu abriebfesten Schichten mit niedriger Oberflächenenergie.

Durch die Kontaktfläche des Tropfens auf der Oberfläche

kommt es zwischen den Atomen der Oberfläche und denen des

Wassers zu Wechselwirkungen.

Durch die daraus entstehenden sehr glatten, wasserabweisenden

Oberflächen bildet sich ein Kontaktwinkel gegen Wasser von maximal 120° aus.

„Easy-to-Clean“-Beschichtungen sind geeignet z.B. für Oberflächen des täglichen Gebrauchs aus Glas, Stein, Metall oder Kunststoff. Welche das Reinigen erleichtern und sogar starke chemische Belastungen durch konzentrierte Säuren oder Laugen mühelos überstehen.

Die Einsatzbereiche reichen heute von den bekannten Sanitär- und Fliesensystemen bis zu Fassadenelemente(Graffitischutz) oder Bodenplatten(Imprägnierungen gegen Algenbefall). Es gibt auch Lacke mit nanometergroßen Siliziumdioxidpartikeln, die die Kratzfestigkeit von Lacken erhöhen. Diese Materialien auf der Basis der Nano-Technologie sind nicht nur stark wasserabweisend, sie verfügen zusätzlich noch über den Lotus-Effekt, der ein Anhaften von Schmutzpartikel verhindert.

Anbei noch ein interessantes Video zur Entfernung von Graffiti von Easy-to-Clean Oberflächen.

http://www.easy2clean.at/medien/index.php

Der Lotuseffekt

Versuche Nanotechnologie

1. Was ist der Lotuseffekt:

Der Lotus-Effekt bewirkt, dass Wassertropfen von der Oberfläche des jeweiligen Gegenstands z.B. Hausoberflächen, Fotopapier, Blätter abperlt und dabei den Schmutz, der auf der Oberfläche liegt, einzieht und mitnimmt.

Die Eigenschaften der Blätter der Lotusblume waren Vorbild für die Entwicklung technischer Produkte mit Selbstreinigungseffekt.

2. Wie funktioniert der Lotuseffekt:

Der Lotus-Effekt basiert auf 3 Grundlagen:

-          die Oberfläche ist mikro- und nanostrukturiert,

-          die Oberfläche ist Wasser abweisend (hydrophob)

-          und der Oberflächenspannung des Wassers.

Erklärung am Beispiel einer selbst reinigenden Pflanze:

Hier bilden die äußersten Zellen (Epidermis) 20-50µm große Noppen, deren Oberfläche mit 0,5-5µm großen Wachsstrukturen besetzt ist. Schmutzpartikel sitzen dann bei solch einer Oberfläche wie ein Fakir auf dem Nagelbrett, d.h. die Schmutzpartikel liegen nicht flach auf. Da das Wasser leicht abperlt, kann es Schmutzpartikel leicht aufnehmen und wegtragen. Warum perlt jedoch das Wasser leicht ab: dies liegt an der Wasser abweisenden Oberfläche und an der feinen Struktur der Oberfläche. Der Wassertropfen hat quasi nur auf den „Nagelspitzen“ Kontakt zur Oberfläche des Blattes und wird durch die Oberflächenspannung des Wassers gezwungen, eine Kugelform anzunehmen. Der Wassertropfen nimmt wasserlösliche (lösen sich im Tropfen auf) und nicht-wasserlösliche (haben wegen des Nagelbretts mehr Haftung zum Tropfen als zur Oberfläche) Partikel mit.

Versuche zum Lotuseffekt:

Wir haben verschiedene Oberflächen genommen und Sie untersucht, ob es dort einen Lotuseffekt gibt oder nicht.
Dabei war es wichtig zu prüfen, mit welchem Kontaktwinkel der Tropfen auf dem Blatt haftete.


Hier ist eine Erklärung, was die unterschiedlichen Kontaktwinkel bedeuten:

Wir untersuchten ein Pflanzenblatt, ein normales Papier und ein Fotopapier:

1. Wassertropfen auf Pflanzenblatt:     

Wir haben ein Pflanzenblatt genommen und es unter ein Mikroskop gelegt. Anschließend haben wir einen Tropfen Wasser, mit Hilfe einer Pipette, auf das Blatt gegeben. Der Tropfen Wasser lag auf dem Blatt und nahm sofort eine Kugelform an. Als wir das Blatt dann ein bisschen neigten, rollte der Tropfen vom Blatt, ohne Wasser auf dem Blatt zu hinterlassen.
Der Kontaktwinkel des Wassertropfens zum Pflanzenblatt  war kleiner 90°, d.h. das Pflanzenblatt ist hydrophil. 

Mehrere Tropfen auf einem Pflanzenblatt

2. Wassertropfen auf normalem Papier:

Wir nahmen ein normales Blatt Papier (Blockblatt) und legten es unter ein Mikroskop um heraus zu finden, was das Blatt für eine Oberfläche hat. Anschließend haben wir wieder einen Tropfen auf das Papier gegeben. Der Tropfen lag wie beim Blatt in Kugelform auf dem Block Blatt. Doch als wir das Blockblatt ein bisschen bewegten, sog das Blockblatt den Wassertropfen ein. 
Der Kontaktwinkel des Wassertropfens zum normalen Papier war kleiner 90°, d.h. das Papier ist hydrophil.
Doch als wir das Blatt ein bischen bewegten, sog das Blockblatt den Wassertropfen ein.

Mehrere Tropfen auf normalem Papier

3. Wassertropfen auf Fotopapier:     

Wir nahmen ein Fotopapier und legten es wieder unter ein Mikroskop. Anschließend folgte wieder der Wassertropfen auf dem Fotopapier. Der Wassertropfen blieb wieder liegen und als wir das Fotopapier bewegten kullerte der Tropfen wieder vom Fotopapier runter, ohne Wasser zu hinterlassen. 
Der Kontaktwinkel des Wassertropfens zum Fotopapier war kleiner 90°, d.h. das Fotopapier ist hydrophil.

Tropfen auf Fotopapier
 

Ergebnisse:

1. Die Pflanze hat sehr viele Noppen mit Wachsstrukturen. Dadurch bildet sich die Kugelform und der Wassertropfen rollt einfach auf den Noppen weg.
2. Das Blockblatt muss immer mit Wasser kämpfen. Meistens ist es Tinte. Damit die Tinte nicht sofort verläuft wurde das Block Blatt hydrophobisiert. Dadurch verläuft die Tinte, bzw. der Wassertropfen nicht gleich, erst wenn das Blatt verruckelt wird, oder man drüber wischt. 

Versuche mit Holzplatte, die dem Lotuseffekt nachgeahmt wurde.

Wenn man Schmutz (z.B. Lehm) auf eine beschichtete Holzplatte gibt und anschließend etwas Wasser hin zu gibt, dann verbindet sich der Lehm mit dem Wassertropfen. Der Schmutz bzw. der Lehm wird also vom Wassertropfen eingeschlossen. Sobald man das Brett neigt, fließt der Wassertropfen inklusive des Schmutzes vom Brett und das Brett wird sauber. 

Hierzu noch ein kleines Video zum oben genannten Versuch: