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Green Nano So sparen Sie mit Nanoschichten Energie

| Autor / Redakteur: Nach Unterlagen des Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik / Matthias Back

Thermochrome Nanoschichten helfen bei Wärmeregulierung. Die Lacke absorbieren oder reflektieren Wärme je nach Temperatur. Wie das funktioniert, zeigten Forscher anhand von beschichteten Metallbändern.

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Metallband mit Nano-Thermochrombeschichtung: Bei Temperaturen über 30° C ist die Schicht transparent und reflektiert Wärme. Ist es kälter, färbt sie sich dunkel und absorbiert Infrarot-Strahlen.
Metallband mit Nano-Thermochrombeschichtung: Bei Temperaturen über 30° C ist die Schicht transparent und reflektiert Wärme. Ist es kälter, färbt sie sich dunkel und absorbiert Infrarot-Strahlen.
(Bild: Fraunhofer IST)

Nanopartikel verfügen über ein besonders großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen.Das macht sie äußerst effizient und reaktiv. Es reichen schon geringe Mengen aus, um große Wirkungen zu erzielen. Diesen Effekt nutzen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal bei Karlsruhe für neuartige Beschichtungen. Dazu arbeiten sie Nanowirkstoffe in Polymersysteme ein. Diese Schichten lassen sich einfach wie Farbe oder Lacke auftragen.

"Die besonderen Eigenschaften der Nanokomposite können sich jedoch nur entfalten, wenn sich die Partikel nicht anhäufen und eine Agglomeration vermieden wird", erläutert Helmut Schmid vom Fraunhofer ICT. Der Wissenschaftler entwickelte gemeinsam mit Institutskollegen ein Verfahren, mit dem sich Nanopartikel gleichmäßig in der Polymermatrix verteilen lassen.

"Die Integration der Nanomaterialien in das Kunststoffsystem dient darüber hinaus der Sicherheit. Die Bindungskräfte verhindern, dass einzelne Nanopartikel unkontrolliert freigesetzt werden", erläutert Schmid. "Das kann man mit Hilfe der Spurenanalytik nachweisen, die Stoffe in sehr geringen Konzentrationen erfasst." Das Verfahren ist hochflexibel und für die Verarbeitung unterschiedlichster Nanomaterialien geeignet. Die winzigen Werkstoffe lassen sich sogar in umweltfreundliche, wasserbasierte Kunststoffsysteme einbinden, die kaum flüchtige organische Verbindungen freisetzen.

Diese Beschichtungen können ohne vorherige Grundierung (Primer) direkt aufgetragen werden – Experten bezeichnen das als "direct-to-metal". Die Schichten verhindern zudem, dass Sauerstoff an das Metall gelangt und schützen so vor Korrosion.

Farbwechsel unter Temperatureinfluss

In einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt arbeiteten ICT-Forscher mit Industriepartnern an neuartigen Nanoschichten für Metalldrähte und Bänder. Dabei entwickelten die Experten schaltbare, thermochrome Beschichtungen, die je nach Temperatur ihre Farbe ändern und so entweder Wärme absorbieren oder zurückstrahlen. "Werden Metallbänder damit versehen, verfügen sie über besondere Eigenschaften: Liegen die Temperaturen unter 30°C, nimmt die schwarze Schicht Wärme auf. Wird es aber heißer, ändert sich die Farbe. Der nun transparente Lack reflektiert die Infrarotstrahlen", erklärt Schmid. So beschichtete Bänder und Drähte lassen sich verweben und etwa in der Achitektur als 'wärmeregulierende' Außenverkleidung von Wänden und Fassaden nutzen.

Die Forscher arbeiten noch an weiteren Nanosystemen wie Beschichtungen mit Lumineszenzeigenschaften. Solche Effekte sind etwa für Sicherheitsmarkierungen interessant. Sie können aber auch helfen, Markenprodukte eindeutig von Raubkopien zu unterscheiden, da die Plagiate nicht über solche leuchtenden Nanoschichten verfügen.

Metall- und Kohlenstoff- Nanoschichten

Auf Nanotechnologie setzen auch Forscherinnen und Forscher vom Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST. Sie funktionalisieren Partikel mit Kohlenstoff- oder Metallschichten. Interessant sind spezifische Partikel, die mit einer 1-2 Namometer dünnen Kohlenstoffschicht ummantelt und so elektrisch leitfähiger werden für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien, was die Leistung der Batterien optimiert.

Weitere Vorteile beschichteter Mikropartikel: Umhüllt man etwa Edelstahlpartikel mit Titannitrid oder Kupfer, agglomeriert das Material nicht mehr. Mit dem so aufbereiteten Pulver lassen sich temperaturempfindliche Materialien wie Kunststoff metallisieren. Die Wissenschaftler setzen hierfür das Plasmasprühen ein. Dabei werden etwa Edelstahlpartikel in einem Plasma bei Atmosphärendruck thermisch aktiviert, die sich als Metallfilm auf dem zu beschichtenden Material niederschlagen.

Der Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwestermarke elektronikpraxis.

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