Nanotechnologie Bessere Methoden zum Herstellen und Applizieren von Nanopartikeln

Autor / Redakteur: Wilfried Pieper / Andreas Kunze

Teilchen in Nanometergröße werden heute als Lösung vieler noch offener Fragen im Bereich der Verbesserung von Materialeigenschaften angesehen.

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Schnelle und einstufige Technologie, ohne Lösemittel sowie eine guten Reproduzierbarkeit: Das Hybridisations-Systems NHS von Nara.
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( Archiv: Vogel Business Media )

Dabei gibt es aber einige Herausforderungen: Vor allem die Herstellung der Partikeln, diese in einem dispersen Zustand zu halten oder zu applizieren, aber auch die Herstellung homogener Mischungen von Nano-Nano- oder Micron-Nanopulvern, gelten als die Hauptprobleme. Dabei gibt es aber einige Herausforderungen: Vor allem die Herstellung der Partikeln, diese in einem dispersen Zustand zu halten oder zu applizieren, aber auch die Herstellung homogener Mischungen von Nano-Nano- oder Micron-Nanopulvern, gelten als die Hauptprobleme.Eine direkte Vorgehensweise Nanopartikel heute herzustellen, ist die Laserablationsmethode. Bei dieser, zu den Verfahren des Pulsed Laser Disposition (PLD), also der gepulsten Laserabtragung gehörenden Methode, werden sehr kleine Nanopartikel von einem Träger, dem Target, durch die Laserenergie abgetragen. Da der Träger aus jeder Substanz gefertigt werden kann, ist es möglich, Nanopartkel jeder Art herzustellen. Um zu gewährleisten, dass die Partikel nach dem Abtrag dispers vorliegen, erfolgt dieser entweder in einem flüssigen Medium oder in der Gasphase unter Vakuum. In der flüssigen Prozessvariante liegen die Partikel suspendiert vor, da Partikel dieser geringen Abmessungen sich nicht absetzen. Die Flüssigkeit reduziert die Oberflächenenergie, die nach dem Abtrag vorliegt. Aufgrund dessen agglomerieren die Nanopartikel nicht, sie verbleiben als Einzelpartikel. Eine Suspension, in der Nanopartikel vorliegen, könnte zum Beispiel als Medikament oder als Zwischenprodukt für eine Weiterverarbeitung eingesetzt werden. Wird ein magnetisches oder elektrisches Feld in der Suspension aktiviert, wandern die Nanopartikel in Abhängigkeit ihrer Ladung zur Anode oder zur Kathode, die dadurch beschichtet wird. Die Wahl einer auf die spätere Anwendung in Größe und Form zugeschnittenen Elektrode ermöglicht das Herstellen und Konstruieren von Substraten für einen spezifischen Einsatz.

Homogene Beschichtung

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In der Gasphase liefert PLD in Abhängigkeit vom Vakuum Partikel unterschiedlicher Größe. Je höher das Vakuum ist, desto kleiner sind die erzeugten Partikel. Disperse, einheitliche Nanopartikel für die Weiterverarbeitung können aufgrund der Partikeldiffusion so nicht erzeugt werden. Das Beschichten von vielen Substraten ist jedoch möglich. Da das Beschichtungsmaterial, das Material, das abgetragen wird, sowie das Substrat, frei wählbar sind, kann eine unbegrenzte Anzahl von Substanzkombinationen realisiert werden. Sogar Makromoleküle können abgetragen werden ohne ihre Struktur zu zerstören. Homogene Beschichtungen von 2 bis 200 Nanometern können mit dieser Methode erreicht werden. Der einfache Aufbau des Laserablation Systems ermöglicht zudem eine Mehrfachbeschichtung des Substrates. Die Beschichtungen verhindern zum Beispiel Korrosion und Abrasion auf der einen Seite, können aber auch die Funktion des Substrates, wie zum Beispiel die Schaltgeschwindigkeit erhöhen. Die Form des zu beschichtenden Substrats kann eine Oberfläche eines Quaders oder Zylinders oder auch eine vollständige Pulveroberfläche sein. Die Beschichtung von Mikrometerpulvern mit sehr gut verteilten und feinen Nanopulvern sind Forschungsgebiete in Pharmazie und Elektronik.

PLD ermöglicht dem Anwender mehrere Herausforderungen anzugehen und zu lösen: die Herstellung von Nanopulvern, das Erhalten als disperse Fraktion und auch das Beschichten unterschiedlich geformter Substrate einschließlich Mikrometerpulver.

Die Kraft der Mechanik

Die meisten industriell erzeugten Nanopulver liegen jedoch nicht suspendiert in Flüssigkeit, sondern als trockene, mikrometergroße Agglomerate vor. Um die Nanoeffekte der als Agglomerat vorliegenden Partikel zu nutzen, müssen die Agglomerate zerstört und im gleichen Schritt eine Beschichtung erfolgen. Dies ermöglicht die Hybridisierung. Bei diesem Prozess werden Nanopartikel unter Verwendung mechanischer Kräfte auf Mikrometerpulver aufgebracht. Die mechanische Energie wird gleichzeitig zur Dispergierung der Agglomerate und zur Beschichtung der Kernpartikel genutzt. Ein sehr dünner, wenige Nanometer dicker Film wird erzeugt. Weder Kern- noch Beschichtungspartikel agglomerieren während dieses Vorgangs.

Der vollständige Verzicht auf Flüssigkeiten und chemische Reaktionen, d.h. der physikalische Charakter des Prozesses macht die Maschine zu einem hoch flexiblen Beschichter. Da chemische Produkteigenschaften vernachlässigt werden können, ist es möglich, Produkte zu erzeugen, die nicht oder nur schwer chemisch synthetisierbar sind. Die Produktion schnell und einfach hergestellter funktioneller Materialien wird zunehmend ausschlaggebend, um die Wettbewerbsfähigkeit zu wahren. Die Trockenbeschichtung im Hybridizer stellt ein solches Verfahren dar. Materialien werden einfach zusammen in die Maschine gegeben und dort verbunden. Diese Vorgehensweise ist wesentlich schneller als ein mehrstufiger chemischer Prozess. Im Hybridizer werden Metalle oder Polymere mit anorganischen Stoffen wie Aerosil oder organischen Wachsen beschichtet, Metalle werden auf Wachse oder Polymere, organische oder anorganische Substanzen auf organische Kernpartikel aufgebracht. Viele Mikro–Nanopulver-Kombinationen sind schon auf dem Markt. Hybride gibt es in der Pharmazie, um die Bioverfügbarkeit, den Geruch oder den Geschmack zu verbessern aber auch in der Elektronik, um zum Beispiel die Leitfähigkeit zu optimieren.

Mechanochemische Reaktionen

Nutzt man ein großes Energie/Volumen-Verhältnis, ist es möglich, chemische Reaktionen in der festen Phase durchzuführen. Der Mahlreaktor Miralo von Nara ermöglicht diese Verfahrensweise durch ihr Rotor/Rotor-System. Der innere Rotor wird radial beschleunigt, bis Mahlringe an der rotierenden Behälterwand abrollen. Das verarbeitete Material wird dabei hohen Scher- und Druckkräften ausgesetzt. Die übertragene Energie wird zu einem sehr geringen Teil in Bruchenergie, des Weiteren in Oberflächenenergie, Mischenergie und Wärme umgesetzt.

Die hohe Energiedichte kann für verschiedene Ziele eingesetzt werden: Homogenisieren von Nano-Nano- und Nano-Mikron-Mischungen, Mahlen, mechanisches Legieren und mechanochemische Reaktionen. Das Homogenisieren in Nanometergröße ist eine kritische Größe für Sinterprozesse in der Pulvermetallurgie und zum Teil auch in der Polymerindustrie. Mechanisches Legieren ermöglicht die Herstellung von Metall/Metall-Kombinationen, die gar nicht oder nur unter hohem Aufwand durch Schmelzprozesse erzeugt werden können. Hier können im gleichen Schritt Nanopulver eingebracht werden, um die Verformbarkeit des Metalls einzustellen. Der größte Anwendungsbereich dieser Technologie liegt im Einsatz für weiche mechanochemische Reaktionen. Hierbei werden Materialien mit funktionellen Gruppen verarbeitet, die eine Neigung besitzen, miteinander zu reagieren. Im Prozess reagieren die funktionellen Gruppen aufgrund der Aktivierung bei der mechanischen Verarbeitung miteinander. Die Energie dieses Prozesses ist geringer als in einem rein chemischen Prozess. In der Pulvermetallurgie wurde darüber hinaus entdeckt, dass in der Miralo aktivierte Substanzen bei geringeren Temperaturen gesintert werden können. Die Aktivierung der Oberfläche führt zu einer schnellen Versinterung. Die Gesamtenergie des Prozesses wird verringert.

Der Autor ist Leiter der Zweigniederlassung Europa von Nara Machinery Co., Ltd., Frechen.

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