Einzigartige Eigenschaften

Im Vergleich zu makroskaligen Formen können Nanomaterialien beispielsweise eine erhöhte Reaktivität, veränderte optische Eigenschaften, Quanteneffekte oder auch eine höhere mechanische Stabilität aufweisen. Dadurch entsteht eine Vielzahl nützlicher und interessanter Effekte, die in unterschiedlichen Anwendungsbereichen genutzt werden.

Oberflächeneffekt

Durch das vielfach größere Oberfläche-Volumenverhältnis (und damit die größere spezifische Oberfläche) von Nano-Objekten verfügen diese oftmals über eine erhöhte Reaktivität, da i.d.R. nur die sich an der Oberfläche befindenden Atome oder Moleküle mit der Umgebung reagieren und sich  relativ gesehen  bei kleinen Objekten mehr Teilchen an der Oberfläche befinden.

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Selbstreinigende Oberflächen

Sogenannte selbstreinigende Nanostrukturen verhindern das Haftenbleiben von Verschmutzungen auf der Oberfläche. Der Effekt ist aus der Natur als "Lotus-Effekt®" bekannt: Die Blätter der Lotuspflanze weisen Oberflächenstrukturen auf, welche einerseits schwach hydrophob und andererseits im Nanometerbereich extrem rau sind. Die Kombination der beiden Eigenschaften bezeichnet man als Superhydrophobie. Sie führt zu einer starken Verringerung der Kontaktfläche zu Wassertropfen (großer Kontaktwinkel) und Schmutzpartikeln. Die Wassertropfen perlen ab und reißen die Schmutzpartikel mit sich. Superhydrophobie lässt sich auch künstlich mit wenigen Nanometer dünnen hydro- oder lipophilen Oberflächenbeschichtungen erzeugen (Greßler et al. 2010).

Oberfläche eines getrockneten Lotusblattes © 2014 - Die Innovationsgesellschaft

Antimikrobielle Eigenschaften

Silberionen weisen eine antimikrobielle Wirkung auf. Silber-Nanopartikel geben (bedingt durch den Oberflächeneffekt) größere Mengen an Silberionen ab als makroskaliges Silber. Somit sind geringere Mengen des Ausgangsmaterials nötig, um eine antimikrobielle Wirkung zu erzielen (Greßler et al. 2009).

Verbesserte mechanische Eigenschaften

Einige Nanomaterialien (insbesondere Kohlenstoffverbindungen wie Graphen und Kohlenstoffnanoröhren) weisen eine extreme Zugfestigkeit und Stabilität bei geringem Gewicht auf. Werden CNTs in Verbundwerkstoffen eingesetzt, ermöglichen sie Gewichtseinsparungen bei gleichbleibender oder erhöhter Stabilität. Andere Nanomaterialien (z.B. Siliziumdioxid) werden auf Oberflächen aufgetragen und erhöhen so deren Kratzfestigkeit (Greßler et al. 2011).

Quanteneffekte

Quanteneffekte treten beispielsweise bei Quantenpunkten (sog. Quantum dots) auf. Diese bestehen aus rund 10'000 Atomen eines halbleitenden Materials und weisen keine kontinuierliche, sondern eine diskrete Ladungsverteilung auf. Die resultierenden physikalischen Eigenschaften ermöglichen eine Vielzahl von Anwendungen beispielsweise in der Fotovoltaik, der digitalen Datenverarbeitung oder der Erzeugung von Licht (Quelle: Welt der Physik).

Optische Eigenschaften

Die veränderten optischen Eigenschaften von Nanomaterialien macht man sich bei einer Vielzahl von Anwendungen zu Nutze: Titandioxid-Nanopartikel sind  im Gegensatz zu makroskaligem Titandioxid – transparent und ermöglich wirksamen UV-Schutz, ohne Verfärbungen zu hinterlassen. Andere Nanomaterialien wie z.B. Siliciumdioxid werden in Antireflex-, IR-Reflex- und Absorptionsschichten eingesetzt. In der Fotovoltaik ermöglichen Nanotechnologien einen erhöhten Wirkungsgrad durch eine optimale Anpassung der Bandlücke (Möller et al. 2013). Die optischen Eigenschaften von Nanomaterialien ändern nicht nur von makro- zu nanoskaligen Formen, sondern auch innerhalb des nanoskaligen Bereiches: Die Farbe von Gold-Nanopartikeln ändert je nach Partikelgröße.

Superparamagnetismus

Werden ferromagnetische Materialien stark zerkleinert (Partikelgröße von weniger als 100 nm), bestehen sie aus einem einzigen sogenannten Weiss-Bezirk (Region, in der alle Atome parallel ausgerichtete magnetische Momenten aufweisen) und verfügen über ein hohes magnetisches Moment. Die Magnetisierung solcher Partikel läßt sich leicht aufheben. Man spricht von Superparamagnetismus. Superparamagnetische Nanopartikel erlauben die Herstellung von Ferrofluiden, welche beispielsweise im medizinischen Bereich (Hyperthermiebehandlung von Tumoren) eingesetzt werden (SNC 2010).

Superparamagnetismus: Igelstrukturen in einem Ferrofluid (Rosensweig-Instabilität). © 2014 Die Innovationsgesellschaft mbH

Quellen und weiterführende Informationen: