纳米结构的测量及分析

分析 – 有效的纳米加工不可或缺的步骤

在纳米空间,分析行业适合担当一个中心角色。当前最常用的高分辨率分析系统是每年有十亿欧元市场容量的电子显微术。而现在的趋势越来越朝着电子扫描显微镜发展,这种电子扫描显微镜在自然环境条件下就可对研究物体成像。这种模式对塑料、油、纺织品、陶瓷、颜料等尤其有益。但分析行业里最显著的增长领域是扫描探针系统。这个系统已经显示了大约20亿欧元的世界市场容量,到2010年可达到60亿欧元。

扫描探针技术—纳米空间的眼睛

rastersondentechnik

当前已有的几乎所有的纳米技术的发展都要归功于扫描探针技术,该技术实现了对表面处理进行原子级分析的可能性。扫描探针技术可以和电唱机的取样系统相媲美。一个针头在物品表面上逐行碾过并进行原子级的扫描。获取的信息包含如原子个体的分布,或磁场的分布、电场分布、光场分布、温度分布或表面电位的分布。扫描X射线显微分析法可用于基础科学研究、工业研究或生产和质量控制。扫描X射线显微镜上市已有八到十二年——沃尔和宾尼希的这项最早研发获得了1986年的诺贝尔奖。所有在宏观领域熟知的相互作用类型原则上都可以借助扫描X射线显微技术用于纳米级领域,也可用于结构建构。所以它是万能的纳米工具。

最小空间的计量学

扫描隧道显微镜可以将平整的表面进行原子级的成像。通过可控手段也可计算每条链上的单个原子数量。如果知道单个原子间的距离,还可以利用校准材料定义一个原子级的标准并将之应用于测量。这种发展可以和原子钟的引入相媲美。未来,纳米也可以担当像现在微米对精度规格的意义。出于认证的原因,生产的结构越小,在线质量检测方法就越重要。在可预见的将来,纳米规格将成为材料分析和材料检测以及在此基础上的材料加工的精度标准。如今看来,通过质量管理手段间接打开的世界市场潜力将不可限量。

纳米级分辨率的光学显微镜术超越传统的物理学界限

近场光学方法让200纳米以下、30纳米以上的有序和无序结构的图像化描绘成为可能。传统光学显微镜的分辨率受光的衍射现象的限制。这种现象可以通过移动光源使其极度靠近要观测的物体来解决。相关的基础发展过去几年中在瑞士和美国方兴未艾。目前全球仅几家公司提供近场光学显微镜仪器,即便目前只有较低的横向分辨率。近场光学将对显微镜的未来市场将产生巨大影响。尤其是生物学家和医生将对这样的仪器特别感兴趣。如果通过飞秒激光技术将高度的空间分辨率和时间分辨率相结合,这将对单个有机分子、生物大分子或超薄涂层的特性化提供更多的益处。

结构/效应关系和毒性分析

大体来说,在医学、药学和生物学中,纳米的相关论题主要集中在分析性提问。关键部分集中在对粘合表面及其对个别人的过敏反应的作用的分析(粘合表面的结构/作用方式,比如皮肤上的膏药),药物合成和化学合成的分析,以及各种有效物质的特性化(包括化妆品)。专家们认为毒性分析(比如纳米微粒的毒性分析)同样具有重要意义,因为这样可以有效提前预测可能的障碍或设想的产品开发的结果。

防生锈

每年在工业国家因摩擦、磨损及腐蚀产生的国民经济损失高达国民生产总值的约百分之四;仅仅在德国(比如1996年的1.8万亿欧元中)就有700亿欧元的损失。点状腐蚀和裂纹腐蚀对钢筋混凝土工程、刺激性环境中的机械、活性反应产物的管道或汽车零部件的长期稳定性来说都是一个巨大的问题。若由于不当操作造成材料损伤或损毁,可通过原子级的分析观察查明损伤原因及提出预防措施。根据环境和氛围的不同,材料的表现也不同。扫描探针技术和电子显微技术提供了针对局部腐蚀原因分析的纳米级的研究可能。

医学/药学/生物学

  • 粘合过程的探索
  • 分析
  • 化妆品研究
  • 药物学发展
  • 对骨头、皮肤、头发及牙齿的分析
  • 有效成分筛查
  • 局部有效成分研究
  • 廉价的生物分析
  • 生物切片分析
  • 毒性分析

化学/材料经济

  • 腐蚀分析
  • 单个分子分析
  • 催化作用研究
  • 微粒分析,分群抽样
  • 计算机模拟

电子学/信息技术

  • 结构分析
  • 成分分布(添加物、 成分和轨道对比度的测量)
  • 计量学
  • 硅片检测
  • 磁性存储器分析
  • 层增长控制
  • 信噪比优化

汽车/机械制造

  • 摩擦分析
  • 粗糙度
  • 层硬度及弹性测定
  • 大型显微镜的微装配
  • 材料的纳米模拟

跨行业

  • 广泛适用的工艺和质量控制(涂层、微粒、构造、功能)
  • 分析是产品开发的前提
  • 分析帮助在纳米领域应用开发新思路

纳米材料(纳米微粒)开辟新的市场机遇

nanopartikel

由几个到几百个原子或分子组成的最小的物质单元被成为纳米微粒;它显示出与较大粒子不一样的特性。这些微粒在化学领域可用于生产具有色彩效果的颜料、化妆品以及带有全新功能特性的录像带或者防紫外线制剂(包含大约20纳米的钛氧化物微粒及有机滤光片物质)。这个领域还能带来十亿级的收益。总体而言,为这个领域生产大量原材料具有重要的工业意义。凝胶溶胶技术即是一项技术创新,同时也是nanopool公司的核心竞争力所在。

全能纳米微粒的其他应用

纳米粉末的运用使宏观组件具备了更大的内表面。这对电池和燃料电池、催化和电解反应器或气体的储存都具有决定性意义。推测显示,装备燃料电池和合适油箱的电动汽车工作里程可达八千公里。纳米粒子的另一个优点是其烧结能力,利用这点可在低温下生产超塑性变形陶瓷、(比如在循环经济中发挥作用的膜类,污水净化或啤酒透析)。此外纳米微粒还通过粉末化路线实现了全新的玻璃生产方法。这样可生产出用传统方法无法生产的高度复杂的组件。通过对原材料微结构有针对性的调整,尤其在汽车制造行业可生产出更强大的发动机和框架组件,而重量会更轻。生产新型颜料或可回收的汽车部件还仅仅是发挥微粒潜力的开端。纳米微粒除了应用于催化剂和光学行业,还在汽车行业的材料设计和构型等方面用于汽车轴承和车身的缓蚀剂的开发,通过防磨损保护层和结构提高汽车轴承和滑动部件的耐用度并避免使用润滑剂,以及在点火器和静电除尘器 中使用的场致发射器件的生产。未来纳米微粒还可用于生产陶瓷发动机组件、颗粒增强塑料或用于振荡吸收(比如通过磁性纳米流体)。根据不同的估测,2010年纳米微粒专门产品的市场已经增大到300亿欧元。

自我组织成为新的制造原理

基本组件的自我组织可能创造出新的制造业时代。科学家们预测,21世纪的生产工艺可能是原材料、器件甚至是整个机器的精确的自我组装。此工艺的原理是无序状态的原子、分子、分子组合甚至是更大的组件自我组合成有序的单元。人类只须启动或中断这个过程,其余情况下,生产程序将按照预先编入的基块构建程序一步步进行。基于对这个自我组织过程的基本阐述,J.-M. Lehn于1987年获得了诺贝尔化学奖。自我组织是大自然的基本法则。它在试管里的运行规则就像今天由基本单元组成的生物的编码化构造一样。它不仅可以生产出全新的材料,还可以避免人工错误和成本。即使这样,通过各种可能的多样化产品种类还是可以带来新的工作岗位。

未来化学的自定义分子

化学工业的未来在于对功能性超级分子系统、分子表面及分子簇的基础问题的探索。在此,自我组织将成为新的构建原理。自定义形状和大小的系统以及合适的有序功能性子结构对在医药行业的应用、乳胶涂料的生产、催化剂的优化或胶粘、涂漆和润滑过程都有重要的经济意义 。在健康领域,医师和药剂师也将探索全新的治疗方法,借助纳米威力有选择性地立即发挥药物的药理作用潜力。

医学/药学/生物学

  • 有效成分研究
  • 药品定位
  • 锁钥材料系统
  • 纳米乳液

精密机械/光学/分析学

  • 低摩擦轴承
  • 润滑剂
  • 回转接头

化学/材料管理

  •  纳米微粒生产(胶体、 颜料、 乳液、 粉末、 微晶、 乳液、 簇类、 富勒烯…)
  • 复合材料/梯度材料
  • 超分子单元
  • 缓蚀剂
  • 沸石反应器
  • 软磁铁/铁磁流体/磁性颗粒
  • 分子化学
  • 陶瓷工艺
  • 混合颜料,效果颜料

电子学/信息技术

  • 光伏电池
  • 电池/燃料电池/电容器
  • 涂层
  • 电感元件
  • 量子元件
  • 非线性光学组件
  • 用于数据存储的金属颜料
  • 装配和连接技术

汽车/机械制造

  • 汽车陶瓷发动机零件
  • 轻型建材
  • 功能性涂层(不粘涂层,散热层,防雾涂层)
  • 色彩效果漆和膜
  • 气体存储器
  • 衰减器
  • 背景光
  • 超硬合金

跨行业

  • 具有扩大化表面的催化剂
  • 压实纳米材料组成的系统(膜、 增强塑料、 光吸收体、 气凝胶、 光发射器)