Vermessung und Analyse von Nanostrukturen

 

Analytik – unverzichtbar für eine effektive Nanofabrikation

Im Nanokosmos kommt der Analytik eine zentrale Rolle zu. Das bisher am meisten benutzte Analysesystem hoher Auflösung ist die Elektronenmikroskopie mit einem derzeitigen Marktvolumen um eine Milliarde Euro p.a. Der Trend geht dabei zunehmend zu denjenigen Rasterelektronenmikroskopen, bei denen das zu untersuchende Objekt nahezu unter Umgebungsbedingungen abgebildet werden kann. Dieser Modus ist besonders vorteilhaft für Kunststoffe, Öle, Textilien, Keramiken, Farben etc.. Den markantesten Wachstumsbereich in der Analytik stellen jedoch die Rastersondensysteme dar. Diese weisen bereits ein betroffenes Weltmarktvolumen von ca. zwei Milliarden Euro auf, welches im Jahre 2010 bereits sechs Milliarden Euro betragen soll.

 

Rastersondentechniken – die Augen des Nanokosmos

Die Möglichkeit der Analyse der elementaren Zusammenhänge von Oberflächenprozessen auf atomarem Niveau mittels Rastersondenverfahren hat fast alle heute bestehenden Entwicklungen in der Nanotechnologie erst möglich gemacht. Rastersondentechniken sind vergleichbar mit dem Abtastsystem eines Schallplattenspielers. Eine Spitze fährt zeilenweise über eine Oberfläche und tastet diese atomar ab. Die erhaltene Information kann z.B. die Verteilung der Atome selbst, oder die eines Magnetfeldes, eines elektrischen Feldes, eines Lichtfeldes, der Temperatur oder von elektrischen Oberflächenpotentialen sein. SXM-Techniken lassen sich in der Grundlagenforschung, der industriellen Forschung oder der Produktion und Qualitätskontrolle einsetzen. SXM-Geräte sind seit etwa acht bis zwölf Jahren auf dem Markt – die Erstentwicklung durch Rohrer und Binnig wurde 1986 mit dem Nobelpreis gewürdigt. Alle im makroskopischen Bereich bekannten Wechselwirkungsarten können im Prinzip mittels SXM-Techniken auch im nanoskopischen genutzt werden, auch zur Strukturierung. Somit eignen sie sich als universell einsetzbare Nanowerkzeuge

 

Metrologie im Kleinstbereich

Rastertunnelmikroskope können geordnete ebene Oberflächen atomar abbilden. Durch diese Kontrollmöglichkeit besteht daher auch die Möglichkeit einzelne Atome einer Kette zu zählen. Kennt man den Abstand einzelner Atome, so bietet sich an, mit einem Eichmaterial einen Maßstab auf atomarem Niveau zu definieren und zur Vermessung zu benutzen. Diese Entwicklung ist vergleichbar mit der Einführung der Atomuhr. Der Nanometer wird deshalb für Genauigkeitsangaben zukünftig die Bedeutung erlangen, wie sie der Mikrometer derzeit innehat. Werden die erzeugten Strukturen immer kleiner, so werden online Qualitätsprüfverfahren – schon aus Zertifizierungsgründen – immer wichtiger. Daher wird in absehbarer Zeit der Nanometermaßstab auch der Präzisionsstandard für die Materialanalyse und -prüfung werden, bzw. darauf aufbauend dann auch für die Materialbearbeitung. Das sich indirekt eröffnende Weltmarktpotential durch diese Quality-Management-Möglichkeiten lässt sich aus heutiger Sicht nicht quantifizieren

 

Lichtmikroskopie mit nm-Auflösung überwindet traditionelle physikalische Grenzen

Die Methode der Nahfeldoptik macht das bildliche Darstellen von geordneten und ungeordneten Strukturen im Bereich unterhalb 200nm bis ca. 30nm möglich. Die Auflösung konventioneller Lichtmikroskope wird durch optische Beugungserscheinungen begrenzt. Diese kann man jedoch ausschalten, indem die Lichtquelle sehr nahe an das zu untersuchende Objekt herangeführt wird. Basisentwicklungen sind dazu in der Schweiz und den USA in den letzten Jahren gemacht worden. Weltweit gibt es derzeit nur wenige Firmen, die Nahfeldmikroskopiegeräte anbieten, wenn auch mit derzeit noch geringer lateraler Auflösung. Im Mikroskopiemarkt wird der Nahfeldoptik eine erhebliche zukünftige Bedeutung beigemessen. Hinsichtlich des Einsatzes sind besonders die Biologen/Mediziner an einem solchen Gerät interessiert.
Kombiniert man die extreme räumliche mit einer hohen zeitlichen Auflösung, wie sie durch die Methoden der Femtosekunden-Technologie bereitgestellt werden können, so ergeben sich weitere Vorteile bei der Charakterisierung einzelner organischer Moleküle, biologischer Makromoleküle oder dünner Schichten.

 

Struktur/Wirkungsbeziehung und Toxizitätsanalyse

Generell gesehen zeigt sich für die Branchen Medizin/Pharmazie/Biologie bei Nanotechnologie-relevanten Themen eine Konzentrierung auf analytische Fragestellungen. Wesentliche Elemente konzentrieren sich auf die Analyse von Klebeflächen und deren Auswirkung auf das Allergieverhalten einzelner Personen (Struktur/Wirkungsverhalten von Klebflächen, z.B. Pflaster auf Hautschichten), die Analyse von Vorgängen bei der Pharma- und chemischen Synthese, sowie die Charakterisierung verschiedenster Wirkstoffe (incl. Kosmetika). Von den Experten wird auch der Toxizitätsanalyse (z.B. von Nanopartikeln) Bedeutung beigemessen, offensichtlich um mögliche Hindernisse oder gar das Ende einer angedachten Produktentwicklung frühzeitig einschätzen zu können.

 

Kampf dem Rost

Pro Jahr entsteht in den Industrieländern durch Reibung, Verschleiß und Korrosion ein volkswirtschaftlicher Schaden in Höhe von von ca. vier Prozent des Bruttosozialproduktes; allein für Deutschland (Bsp. 1996: 1,8 Billionen Euro) ein Schaden von ca. 70 Milliarden Euro. Korrosion durch lokalen Lochfraß oder Spaltkorrosion ist ein immenses Problem bei der Langzeitstabilität von Stahlbetonbauten, Maschinen in agressiver Umgebung, Rohrleitungen für reaktive Produkte, oder auch Autoteilen. Wo Material durch noch unverstandene Vorgänge beschädigt oder zerstört wird, wird von der analytischen Beobachtung im atomaren Maßstab Aufschluß über die Schadensentstehung und ihre Vermeidung erwartet. Materialien verhalten sich je nach Umgebung und Art der Atmosphäre unterschiedlich. Untersuchungsmöglichkeiten auf nm-Ebene zur Entschlüsselung der Ursachen lokaler Korrosionsangriffe bieten Rastersondenverfahren und die Elektronenmikroskopie:

Medizin/Pharmazie/Biologie:

  • Erforschung von Klebevorgängen
  • DNA-Analyse
  • Kosmetikforschung
  • Pharmakaentwicklung
  • Analyse von Knochen, Haut, Haaren, Zähnen
  • Wirkstoffscreening
  • Lokale Wirkstofforschung
  • Preiswerte Bioanalytik
  • Analyse biologischer Schnitte
  • Toxizitätsanalyse

Chemie/Materialwirtschaft:

  • Korrosionsforschung
  • Einzelmolekülanalyse
  • Katalyseforschung
  • Partikel- und Clusteranalyse
  • Computersimulation

Elektronik/Informationstechnik:

  • Strukturanalyse
  • Elementverteilung (Dotier-, Zusammensetzungs- und Orbitalkontrastmessung)
  • Metrologie
  • Wafer-Inspection
  • Magnetspeicheranalyse
  • Schichtwachstumskontrolle
  • Signal/Rausch-Verhältnis-Optimierung

Automobil/Maschinenbau:

  • Reibungsanalyse
  • Rauhigkeiten
  • Schichthärte- und Elastizitätsbestimmung
  • Mikromontage in Großraummikroskopen
  • Nanosimulation von Werkstoffen

Branchenübergreifend:

  • Breit anwendbare Prozess- und Qualitätskontrolle (für Schichten, Partikel, Strukturen, Funktionen)
  • Analytik als Voraussetzung für die Produktentwicklung
  • Analytik als Hilfsmittel zur Entwicklung neuer Denkweisen für Anwendungen im nm-Bereich

 

Erschließung neuer Marktchancen mit nanoskaligen Werkstoffen (Nanopartikeln)

Kleinste Materiebausteine aus nur wenigen bis wenigen hundert Atomen oder Molekülen, werden ‚Nanopartikel‘ genannt; sie weisen deutlich geänderte Eigenschaften gegenüber ihrem Verhalten als größere Festkörper auf. Solche Partikeln werden bspw. im Bereich der Chemie in Form von Pigmenten für Farbeffekte, Kosmetik, Videobänder mit völlig neuen funktionellen Eigenschaften oder als UV-Schutz-Präparate (enthalten ca. 20nm große Titanoxid-Partikel bzw. organische Lichtfiltersubstanzen) eingesetzt. Auch hier liegen Chancen für weitere Milliardenumsätze vor. Allgemein wird für diesen Bereich der Herstellung einer breiten Palette von Ausgangsmaterialien industrielle Bedeutung zugewiesen. Einen innovativen Ansatz stellt hierbei die Sol-Gel-Technik dar, die auch die Kernkompetenz der nanopool GmbH bildet.

 

Weitere Anwendungen vielseitiger Nanopartikel

Durch Einsatz von Nanopulvern lassen sich makroskopische Bauteile mit großer innerer Oberflächen erzeugen, welche in Batterien und Brennstoffzellen, Katalyse- und Elektrolysereaktoren oder auch bei der Speicherung von Gasen maßgeblich sind. Berechnungen zeigen, dass mit Brennstoffzellen und geeigneten Tanks ausgerüstete Elektroautos bis zu 8000 km Reichweite besitzen können. Ein Vorteil der Nanoteilchen ist auch ihre hohe Sinterfähigkeit, so dass sich bei niedrigen Temperaturen superplastisch verformbare Keramiken herstellen lassen (z.B. für Membranen, die bei der Kreislaufwirtschaft eine Rolle spielen, bei der Reinigung von Deponiewasser oder bei der Bier-Dialyse). Weiterhin bieten Nanopartikel über die Pulverroute völlig neue Wege der Glasherstellung. Dadurch lassen sich hochkomplizierte Bauteile herstellen, welche über konventionelle Glasherstellverfahren nicht herstellbar sind. Durch gezieltes Einstellen der Feinstruktur eines Werkstoffs erwartet man speziell in der Automobilindustrie tragfähigere Motor- und Rahmenbauteile mit leichterem Gewicht. Mit der Herstellung neuartiger Farben oder recyclingfähiger Automobilteile steht das Potential dieser Partikel ebenfalls erst am Anfang. Neben dem Einsatz der Nanos für katalytische und optische Zweck, zielen in der Automobilbranche Materialdesign und -strukturierung u.a. auf die Entwicklung von Korrosionsinhibitoren für Lager und Aufbauten, die Standzeitsteigerung von und Schmiermittelvermeidung in Lagern und Gleitelementen mittels Verschleißschutzschichten und -strukturen, sowie auf die Herstellung von Feldemitteranordnungen für den Einsatz in Zündanlagen und Elektrofiltern. Zukünftige Perspektiven besitzen Nanopartikel auch für keramische Motorbauteile, partikelverstärkte Kunststoffe oder zwecks Schwingungsdämpfung (z.B. durch magnetorheologische Nanofluide). Unterschiedliche Schätzungen beziffern die Märkte für nanopartikel-spezifische Produkte für das Jahr 2010 bereits auf ca 30 Milliarden Euro.

 

Selbstorganisation als neues Fertigungsprinzip

Zu einem neuen Fertigungszeitalter könnte auch die Selbstorganisation elementarer Bauteile beitragen. Für das 21. Jahrhundert prognostizieren Wissenschaftler Fertigungsmethoden, wodurch sich Werkstoffe, Apparate und sogar komplette Maschinen präzise von selbst aufbauen könnten. Grundlage bietet ein Prozess, bei dem ungeordnet bereitstehende Atome, Moleküle, Molekülverbände oder schon größere Bauteile sich zu wohlgeordneten Einheiten von selbst zusammenfügen. Der Mensch startet oder unterbricht diesen Prozess nur, ansonsten schreitet die Fabrikation nach vorprogrammierten Regeln, welche den Bausteinen vorher einprogrammiert wurden, ab. Für die grundlegende Beschreibung dieses Selbstorganisationsprozesses wurde J.-M. Lehn 1987 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt. Die Selbstorganisation ist ein Grundprinzip der Natur. Sie funktioniert in der Retorte ähnlich dem codierten Aufbau heutiger Lebensformen aus elementaren Untereinheiten. Sie ermöglicht nicht nur die Herstellung neuartiger Werkstoffe, sondern auch die Vermeidung von Fehlern und Kosten, welche eine menschliche Arbeitskraft mit sich bringt. Trotzdem entstehen durch die Vielfalt der möglichen Produktpalette neue Arbeitsplätze.

 

Maßgeschneiderte Moleküle für die Chemie der Zukunft

Zukunftschancen sieht die chemische Industrie in der Erforschung grundlegender Fragen zu funktionalen supramolekularen Systemen, molekularen Oberflächen und Clustern. Dabei wird die Selbstorganisation als neues Konstruktionsprinzip ausgenutzt. Systeme mit definierter Form und Größe sowie geeignet angeordneten funktionalen Substrukturen sind beispielsweise für den Einsatz von Pharmazeutika, die Herstellung von Dispersionsfarben, die Optimierung von Katalysatoren oder bei Klebe-, Lackier- und Schmierprozessen ökonomisch von Bedeutung. Für Belange im Gesundheitsbereich denken Mediziner und Pharmazeuten über völlig neue Therapieformen nach, bei denen mit Hilfe nanometergroßer Partikel Medikamente erst selektiv vor Ort ihr pharmakologisches Potential entfalten.

Medizin/Pharmazie/Biologie:

  • Wirkstoffforschung
  • Pharmakapositionierung
  • Schlüssel-Schloss-Materialsysteme
  • Nanoemulsionen

Feinmechanik/Optik/Analytik:

  • Reibarme Lager
  • Schmiermittel
  • Drehdurchführungen
  • Chemie/Materialwirtschaft:
  • Nanopartikelherstellung (Kolloide, Pigmente, Dispersionen, Pulver, Kristallite, Emulsionen, Cluster, Fullerene,..)
  • Verbund- / Gradientenwerkstoffe
  • Supramolekulare Einheiten
  • Korrosionsinhibitoren
  • Zeolithreaktoren
  • Weichmagnete / Ferrofluide / magnetische Partikel
  • Molekulare Chemionik
  • Keramische Prozesstechnik
  • Hybrid-, Effektpigmente

Elektronik/Informationstechnik:

  • Photovoltaik-Zellen
  • Batterien / Brennstoffzellen / Kondensatoren
  • Pasten
  • Resiste
  • Induktive Bauelemente
  • Quantenbauelemente
  • NLO-Bauelemente
  • Metallpigmente für Datenspeicher
  • Aufbau- und Verbindungstechnik

Automobil/Maschinenbau:

  • Keramikautomotorteile
  • Leichtbaumaterialien
  • Funktionelle Schichten (Antihaft-, Klimatisierungs-, Antibeschlagsschichten,…)
  • Farbeffektlacke und -folien
  • Gasspeicher
  • Dämpfungsglieder
  • Hintergrundbeleuchtung
  • Superharte Legierungen

Branchenübergreifend:

  • Katalysatoren mit vergrößerter Oberfläche
  • Systeme aus kompaktierten Nanomaterialien (Membrane, verstärkte Kunststoffe, Lichtabsorber, Aerogele, Lichtemitter)