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Nanowerkstoffe

Organisatorisches

Die Lehrveranstaltung „Nanowerkstoffe“ wird im Rahmen des Masterstudiums angeboten und findet immer im Wintersemester statt.

Weitere Infos entnehmen Sie bitte dem Modulhandbuch zum Masterstudium. Siehe >> Link <<

Einschreibung zur Teilnahme an der Lehrveranstaltung

Erfolgt über das Moodle-System der TU Dortmund.

  • Link: >> Moodle <<
  • Moodle-Raum: 073040 - Nanowerkstoffe
  • Einschreibeschlüssel: LWT-WS2021
  • Einschreibefrist: 29.10.2020, 00:00 Uhr – 03.01.2021, 23:59 Uhr

Hier finden Sie dann in Kürze auch alle Vorlesungs- und Übungsunterlagen im PDF-Format sowie die aufgezeichneten Videos von den einzelnen Vorlesungen und Übungen. Ebenso werden Sie über das Moodle-System per E-Mail über jedwede Ankündigung zur Lehrveranstaltung informiert.

Aktuelle Veranstaltungszeiten und -orte im WS 2020 / 2021

Vorlesung

  • Termin: Immer freitags von 09:00 – 10:30 Uhr
  • Zeitraum: 06.11.2020 – 12.02.2021
  • Info: Am ersten Termin (06.11.2020) findet zunächst eine Einführungsveranstaltung statt. Danach startet die Vorlesung, die am ersten Termin länger als 10:30 Uhr dauern wird. 

Übung

  • Termin: Immer freitags von 10:30 – 12:00 Uhr
  • Zeitraum: 06.11.2020 – 12.02.2021
  • Info: Die Übung beginnt am 13.11.2020

Klausur

  • Klausurfragestunde und Wrap-Up: Voraussichtlich am 23.02.2021, 10:30 – 12:00 Uhr.
  • Klausurtermin: Voraussichtlich im März 2021. Wird noch bekannt gegeben.

Zugang zur digitalen Lehrveranstaltung

Die Lehrveranstaltung (Vorlesungen und Übungen) findet digital via der Software ZOOM statt. Zusätzlich zum Live-Stream werden alle Vorlesungen und Übungen aufgezeichnet und stehen Ihnen im Moodle-System als Video zur Ansicht bereit. Zum Betreten des ZOOM Raums klicken Sie an den jeweiligen Terminen bitte auf folgenden Link:

https://tu-dortmund.zoom.us/j/92973690500?pwd=QnZ1dTB1K0dLcXZSb0FFVUJFQ2hrdz09

Folgen Sie danach einfach den Anweisungen. Der Erstzugang zum Raum erfordert ggf. die Installation einer ZOOM Web-App über den Webbrowser. Oder Sie nutzen alternativ die Zoom Desktopsoftware (Download unter: https://zoom.us/support/download) und geben direkt ein:

  • Meeting-ID: 929 7369 0500
  • Kenncode: 841972

Bitte benutzen Sie für die Teilnahme an der Veranstaltung nach Möglichkeit ein Headset. Eine Webcam brauchen Sie nicht. Alternativ können Sie sich auch telefonisch in den ZOOM Raum einwählen (hier sehen Sie allerdings keine freigegebenen Bildschirminhalte):

+49 30 5679 5800 Deutschland
+49 69 3807 9883 Deutschland
+49 695 050 2596 Deutschland
+49 69 7104 9922 Deutschland

Informationen zur Lehrveranstaltung

Die Nanotechnologie beschäftigt sich mit der Herstellung, Charakterisierung, Analyse und Anwendung von Systemen, Strukturen, Partikeln und Materialien im Dimensionsbereich von 1 bis 100 nm (1 nm = 1 · 10-9 m). Dabei stellt die Nanotechnologie nicht nur eine kontinuierliche Fortsetzung und Erweiterung der Mikrosystemtechnik dar, bei der die zunehmende Verkleinerung von Objekten und Strukturen als weiterer Schritt auf der Längenskala nach unten angesehen wird. Tatsächlich führt die Reduzierung der Systemabmessungen in den Nanobereich zu einem völlig anderen bzw. neuartigen Verhalten sowie veränderten Eigenschaften und Funktionalitäten von Materialien, die bei klassischen makroskopischen Festkörpern (d.h. Körpern, die aus einer nahezu unendlich großen Anzahl an Atomen und Molekülen bestehen) trotz gleicher chemischer Zusammensetzung nicht erzielt werden können. Der Grundsatz der Nanotechnologie ist dabei, dass die physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht mehr allein von dem jeweiligen Material, sondern in besonderer Weise von der Größe und Form seiner Struktur abhängen. So zeigen z.B. elektrisch isolierende Stoffe im Nanobereich ein leitendes Verhalten und ursprünglich nicht lösliche Stoffe werden löslich, harte und spröde Keramiken werden verformbar. Andere Materialien verändern mit sinkender Strukturgröße ihre Farbe oder werden durchsichtig. Diese besonderen Eigenschaften eröffnen völlig neue Möglichkeiten für Anwendungen und Produkte und sind damit gleichsam für Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft äußerst interessant.

Die Nanotechnologie zählt zu den „Future Emerging Technologies“ bzw. „Key Enabling Technologies“ des 21. Jahrhunderts. Sie besitzt nicht nur eine großes Potential zur Veränderung ganzer Technologiebereiche, sondern hat unser alltägliches Leben bereits nachhaltig beeinflusst. Ein Beispiel hierfür sind leistungsfähige Nanotransistor-Chips oder Quantum-Dot LEDs (QLEDs) in Smartphones oder Laptops, die hochauflösende Displays (mit HDR, 3D und 4K-Auflösung), 5G-Modems sowie KI-Engines für die Gesichts- und Spracherkennung ermöglichen. Das Bestreben in der Nanotechnologie ist einerseits darauf ausgerichtet, die Abmessungen von Strukturen und Systemen zu reduzieren, um so z.B. auf elektronischen Bauteilen mehr und leistungsfähigere Funktionseinheiten (sog. „High-End SoCs“, SoC = System-on-a-Chip“) integrieren zu können. Andererseits lassen sich mithilfe dieser Technologie völlig neuartige Hochleistungsmaterialen und -anwendungen mit bisher ungeahnten Möglichkeiten entwickeln.

Nanowerkstoffe spielen eine Schlüsselrolle und bilden somit einen zentralen und übergeordneten Forschungsschwerpunkt in der Nanotechnologie. Denn neben der Reduzierung der Abmessungen von Systemen leisten vor allem die Werkstoffe einen wesentlichen Beitrag dazu, Produkte, Bauteile oder Systeme leistungsfähiger und effizienter zu gestalten sowie Ihnen neue Funktion zu verleihen. Nanowerkstoffe stellen eine neue, zukunftsträchtige Klasse an Materialien dar. Im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen ermöglichen sie trotz gleicher chemischer Zusammensetzung die Bereitstellung völlig neuartiger oder verbesserter struktureller und funktioneller Eigenschaften. Grundlage hierfür bilden mesoskopische Effekte, welche sich durch die Skalierung des Strukturaufbaus der Werkstoffe vom Makro- in den Nanobereich ergeben. Durch diese Skalierungseffekte bieten Nanowerkstoffe neue und vor allem noch ungeahnte Möglichkeiten für eine Vielzahl an existierenden oder zukünftigen Anwendungen, die bisher mit konventionellen Werkstoffen nicht realisiert werden konnten. Ihr enormes Potential, aber auch die damit verbundenen Risiken für Mensch und Umwelt sind bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht abschätzbar. Dies verdeutlicht den noch erforderlichen, großen Forschungsbedarf auf diesem Gebiet.

Zu den derzeit am häufigsten genutzten Anwendungsformen zählen Nanopartikel (wie beispielhaft in Abbildung 1 dargestellt), Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), QLEDs und Nanoschichten bzw. nanostrukturierte Schichten. Sie weisen für Wissenschaft und Industrie interessante Eigenschaften auf und bilden gleichsam die Grundlage für zahlreiche Produktinnovationen.

Nanopulver
Abbildung 1: REM-Aufnahme eines am LWT analysierten WO3 Nanopulvers.

In der thermischen Spritztechnik werden beispielsweise nanostrukturierte WC-Co Verschleißschutzschichten auf Werkzeug- und Bauteiloberflächen appliziert (siehe Abbildung 2), die gegenüber konventionellen Schichten eine Verbesserung des tribo-mechanischen Verhaltens und somit eine signifikante Standzeiterhöhung von Werkzeugen und Bauteilen ermöglichen.

Nanostrukturierte Schicht
Abbildung 2: REM-Aufnahmen der Struktur von einer am LWT entwickelten HVOF gespritzten, konventionellen und nanostrukturierten WC-12Co Verschleißschutzschicht im Querschliff [1].

Weitere Anwendungsbeispiele bilden transparente Werkstoffe und Suspensionen, elektrisch leitende oder verformbare Keramiken, neuartige Energiespeicherwerkstoffe (auf Basis von CNTs) und Halbleiterwerkstoffe (OLEDs, QLEDS) sowie hochfeste bzw. wärmeresistente Materialien und Beschichtungen.

Quellen:

[1] Baumann, Ingor-Theodor: Hochverschleißfeste und konturnahe Werkzeugoberflächen durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren. Dissertation, Technische Universität Dortmund, Werkstofftechnologische Schriftenreihe, Tillmann, Wolfgang (Hrsg.), Band Nr. 5, 2012 Vulkan-Verlag, Essen, ISBN 978-3-8027-8813-0

Lehrinhalte

Das Vorlesungsmodul „Nanowerkstoffe“ vermittelt Studierenden ein fundiertes Wissen über die Möglichkeiten und Grenzen von Nanowerkstoffen und Nanotechnologien. Angefangen von den physikalischen Grundlagen und phänomenologischen Effekten aus dem Nanokosmos über die Anwendung und Nutzen der Nanotechnologie bis hin zur Herstellung, Charakterisierung und Analyse von Nanowerkstoffen / Nanostrukturen werden alle wichtigen Themenstellungen aus diesem Bereich behandelt. Inhaltliche Schwerpunkte der Vorlesung bilden vor allem die Darlegung der Veränderung von Materialeigenschaften entlang der Größenskala sowie die Existenz und Nutzung von Nanoeffekten zur Herstellung neuer, leistungsfähiger Materialien und innovativer Anwendungen. Die Vorlesung zeigt anhand vieler praktischer Beispiele aus dem alltäglichen Leben, dass die Nanotechnologie hier bereits umfassenden Einzug erhalten hat bzw. dort nicht mehr wegzudenken ist. Ebenso widmet sich die Vorlesung dringlichen Fragestellungen zur Abschätzung von Risiken für Mensch und Umwelt sowie der sozioökonomischen Bedeutung der Nanotechnologie. Letzteres beinhaltet den derzeitigen Entwicklungsstand bzw. die Verbreitung der Nanotechnologie im wissenschaftlichen und industriellen Umfeld, die Entwicklung der Arbeits- und Absatzmärkte sowie die zurzeit gültigen gesetzlichen Regelungen.

Kompetenzen

Nach Abschluss des Vorlesungsmoduls „Nanowerkstoffe“ sind die Studierenden in der Lage, Potentiale und Risiken von Nanotechnologien bzw. Nanomaterialien zu beschreiben. Des Weiteren können sie fundamentale Zusammenhänge zwischen der Strukturgröße von Materialien und ihren Eigenschaften bzw. ihrem Verhalten erklären. Die Vorlesung vermittelt den Studierenden außerdem viele nützliche (theoretische) Grundlagen, um später in Wissenschaft und Industrie neue Ansätze / Lösungen für die Werkstofftechnologie bzw. Produktionstechnik erarbeiten zu können. Dies betrifft insbesondere die Entwicklung und den Einsatz von neuartigen Werkstoffen, Anwendungen und Technologien.

Inhalte

  • Einführung in die Nanotechnologie (NT im Alltag, Potentiale, Quanteneffekte)
  • Grundlagen (Definitionen, Größenskalen, Basisstrukturen, ...)
  • Physikalische Zusammenhänge (Skalierungseffekte, Phänomene, Eigenschaften, ...)
  • Eigenschaftsveränderung in polykristallinen Nanowerkstoffen (Hall-Petch, …)
  • Nanotechnologie und Nanowerkstoffe - Einsatzgebiete und Anwendungen
  • Herstellung von Nanowerkstoffen (Partikel, Schichten, Sole & Gele, …)
  • Risiken und Gefahren von Nanomaterialien (Eigenschaften / Wirkung von NP, …)
  • (Ggf. Mess- und Charakterisierungstechniken für Nanowerkstoffe und Nanostrukturen)
  • (Ggf. Entwicklungsstand und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Nanotechnologie)


Prüfung:

Bitte verfolgen Sie unsere Internetseiten für aktuelle Prüfungstermine bzw. Prüfungsorte sowie deren Ergebnisse und Einsichtstermine oder schauen Sie an unserem schwarzen Brett (MB II / EG linker Flur) nach.


Nebeninhalt

Kontakt

Foto von Dr.-Ing. Ingor Baumann

Dr.-Ing. Ingor Baumann

Telefon: 0231 755-5318
Fax: 0231 755-4079

Adresse:

Lehrstuhl für Werkstofftechnologie
Leonhard-Euler-Str. 2
44227 Dortmund
Deutschland

Raum 112