Nanowerkstoffe

Allgemeines

Die Lehrveranstaltung "Nanowerkstoffe" wird im Rahmen des Masterstudiums vom Lehrstuhl für Werkstofftechnologie angeboten und findet im wöchentlichen Turnus immer im Wintersemester statt.

• LSF Veranstaltungsnummern Link
  • 073040 (Vorlesung)
  • 073041 (Übung)
  • 07 07_MSc_MB-34_mp (Klausur)
• Modul: MB-34 (Masterstudium)
• Umfang: 1. Semester, 4 SWS mit V(2) + Ü(2)
• Art: Präsenzveranstaltung
• Leistungspunkte: 5,0
• Gesamtaufwand: 150 h
• Sprache: Deutsch
• Koordinator / Dozent: Dr.-Ing. Ingor Baumann

Im Sommersemester ist die Teilnahme an einer Nachschreibeklausur möglich. Dazu gibt es jeweils eine eigene Wrap-Up Veranstaltung (siehe unten). Bitte beachten Sie, dass die Themen und Informationen aus dem vorangegangenen Wintersemester für das Sommersemester nicht mehr gültig sind. Im Sommersemester findet jedoch keine Lehrveranstaltung (Vorlesung und Übung) statt. Die Vorlesungsfolien und Übungszettel des vorangegangenen Wintersemesters sind daher für das Sommersemester weiterhin gültig. Weitere Informationen entnehmen Sie bitte dem Modulhandbuch zum Masterstudium auf den Webseiten der Fakultät Maschinenbau.

Die nachfolgenden Termine und Infos der Lehrveranstaltung "Nanowerkstoffe" gelten für das WiSe 2025 / 2026

Vorlesung

• Termin: Immer freitags, 09:00 - 10:30 Uhr
• Zeitraum: 17.10.2025 - 06.02.2026
• Ort: MB / HS 1 (Leonhard-Euler-Str. 5)
• Infos:
  • Am ersten Termin (17.10.2025) wird eine Einführungsveranstaltung abgehalten.
  • Die Vorlesung am 30.01.2026 wird zusammen mit dem Wrap-Up online via Zoom durchgeführt (siehe unten).

Übung

• Termin: Immer freitags, 10:30 - 12:00 Uhr
• Zeitraum:  17.10.2025 - 06.02.2026
• Ort: MB / HS 1 (Leonhard-Euler-Str. 5)
• Infos:
  • Am ersten Termin (17.10.2025) wird anstelle der Übung eine Vorlesung abgehalten.
  • Die Vorlesung am 30.01.2026 wird zusammen mit dem Wrap-Up online via Zoom durchgeführt (siehe unten).

Wrap-Up der Prüfungsthemen und Fragestunde zur Klausur

• Termin: Freitag, 30.01.2026, 10:30 Uhr online via der Software Zoom (im Anschluss an die online Vorlesung) unter dem unten genannten Link.
• Infos:
  • Zur Prüfung Nanowerkstoffe wird am Ende jedes Semesters (im WS wie auch im SoSe) eine eigene Fragestunde / ein eigener Wrap-Up der Prüfungsthemen durchgeführt. Die Themen aus dem vorangegangem Semester sind nicht mehr gültig.
  • Die Folien zur Fragestunde / zum Wrap-Up der Prüfungsthemen werden im dazugehörigen Moodle Raum zum Download bereitgestellt.
  • Bitte beachten Sie allerdings, dass die Themen für die Prüfung grundsätzlich nicht in schriftlicher Form oder über eine Video-Aufzeichnung zur Verfügung gestellt werden können. Falls Sie an dem Termin nicht teilnehmen können, bitte ich Sie, sich die Notizen von einer Kommilitonin / einem Kommilitonen zu besorgen.

Prüfung

• Art der Prüfung: Schriftliche Klausur (Dauer: 60 Minuten)
• Termin: Dienstag, 24.02.2026, 11:00 bis 12:00 Uhr, Hörsaalgebäude II - HS 1 und ggf. HS 5 (je nach Teilnehmeranzahl).
• Infos:
  • Bitte finden Sie sich am Tag der Prüfung mind. 15 Minuten vorher im Hörsaal ein.
  • Bitte halten Sie für die Identitätsprüfung Ihren Studierendenausweis (oder einen anderen gültigen Studiennachweis) sowie Ihren Personalausweis (oder einen anderen amtlichen Ausweis mit Lichtbild) bereit.
  • Bitte melden Sie sich für die Prüfung rechtzeitig im Campusportal an. Nach Ablauf der Anmeldefrist ist eine Nachmeldung nicht mehr möglich.

Hier können Sie sich im Moodle Raum zur Lehrveranstaltung "Nanowerkstoffe" einschreiben. Bitte klicken Sie hierzu unten auf den Link "Zur Anmeldung (Moodle)".

• Beginn der Selbsteinschreibung: 01.10.2025
• Moodle-Raum: 073040 - Nanowerkstoffe WiSe 2025/26
• Einschreibeschlüssel: Nicht erforderlich
• Einschreibefrist: Voraussichtlich bis zum 31.12.2025. Falls Sie sich danach einschreiben möchten, richten Sie bitte eine Anfrage per E-Mail an ingor.baumanntu-dortmundde

Hier finden Sie auch alle Vorlesungs- und Übungsunterlagen im PDF-Format. Ebenso werden Sie über das Moodle-System per E-Mail über jedwede Ankündigung zur Lehrveranstaltung informiert.

Am 30.01.2026 werden Vorlesung, Übung und Wrap-Up online via Zoom durchgeführt.

Sollte die Abhaltung weiterer Präsenzveranstaltung aus irgendwelchen Gründen mal nicht möglich sein, werden diese alternativ via Zoom durchgeführt. Dies wird vorher ausdrücklich bekannt gegeben, ansonsten finden alle Veranstaltungen in Präsenz statt.

Der Zoom Raum ist wie folgend:

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 und eine Webcam.

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.

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.

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

Die Nanotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts und besitzt das Potenzial, ganze Technologiebereiche grundlegend zu verändern. Sie beeinflusst bereits unser tägliches Leben, beispielsweise durch Nano-Chips in Laptops und Smartphones oder durch Nano-Halbleiterwerkstoffe in LEDs und Solarzellen. Bei der Nanotechnologie geht es nicht nur um die Verkleinerung von Strukturen und Systemen, sondern vielmehr um die Entwicklung von Materialien und Anwendungen mit neuartigen außergewöhnlichen Struktur- und Funktionseigenschaften, die mit herkömmlichen Materialien nicht erreichbar sind. Beispiele hierfür sind nahezu verschleißfreie sowie wasser- und schmutzabweisende Oberflächen, transparente Materialien, leitfähige oder verformbare Keramiken, extrem leichte und thermisch beständige Aerogele, Carbon-Nanotube-Arrays mit einer Speicherkapazität von mehreren Millionen Volt sowie Quantum Dots, die ein hochbrillantes und nahezu unendliches Farbspektrum, beispielsweise für Fernseher, ermöglichen. Ein wesentliches Merkmal von Nanowerkstoffen ist, dass die Eigenschaften und das Verhalten nicht mehr allein von der chemischen Zusammensetzung, sondern in besonderem Maße von ihrer Strukturgröße und -form abhängen.

Das Modul „Nanowerkstoffe“ bietet Studierenden ein umfassendes Wissen über die Möglichkeiten und Grenzen von Nanomaterialien und Nanotechnologien. Es behandelt physikalische Grundlagen, Skalierungseffekte, Anwendungen sowie die Herstellung und Analyse von Nanowerkstoffen. Darüber hinaus wird die Veränderung von Materialeigenschaften entlang der Größenskala sowie die Nutzung phänomenologischer Nanoeffekte für die Entwicklung innovativer Materialien und Anwendungen betrachtet. Praktische Beispiele aus Industrie und Alltag verdeutlichen die Anwendung und Verbreitung von Nanowerkstoffen. Zudem werden Risiken für Mensch und Umwelt, die sozioökonomische Bedeutung und gesetzliche Regelungen thematisiert.

Die Inhalte im Einzelnen sind:

• 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, …)
• Mess- und Charakterisierungstechniken für Nanowerkstoffe und Nanostrukturen
• Entwicklungsstand und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Nanotechnologie

Nach der Lehrveranstaltung "Nanowerkstoffe" sind die Studierenden in der Lage, …

• … phänomenologische Mechanismen und Skalierungseffekte des Nanokosmos umfassend differenzieren, erklären und bewerten zu können.
• … grundlegende Zusammenhänge zwischen der Struktur, dem Verhalten und den Eigenschaften von Nanowerkstoffen zu verknüpfen und diese zielgerichtet für die Optimierung von Prozessen und Produkten zu nutzen.
• … sowohl neue Funktionalitäten des Nanokosmos als auch entsprechende Herstellungsverfahren für die Entwicklung neuer Werkstoffsysteme auswählen zu können.
• … Analysemethoden für Nanowerkstoffe hinsichtlich des Auflösungsvermögens und der Informationsgewinnung auszuwählen und einzusetzen.
• … Potentiale und Risiken von Nanowerkstoffen zu erkennen und zu bewerten.

Grundlagen der Werkstofftechnik und/oder Angewandte Werstofftechnik

Die folgende Literatur ist für die Lehrveranstaltung Nanowerkstoffe hilfreich, jedoch keine Voraussetzung:

• Vollath, D.: Nanowerkstoffe für Einsteiger, 1. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim, 2014, Lehrbuch, ISBN 978-3-527-33458-2
• Wolf, E.L.: Nanophysik und Nanotechnologie - Eine Einführung in die Konzepte der Nanowissenschaften, 1. Auflage, Wiley-VCH, Berlin, 2015, Lehrbuch, ISBN 978-3-527-41336-2
• Vollath, D.: Nanomaterials - An Introduction to Synthesis, Properties and Applications, 2. Edition, Wiley-VCH, Weinheim, 2013, ISBN 978-3-527-33379-0
• Wautelet, M.: Nanotechnologie, 1. Auflage, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2008, ISBN 978-3486579604
• Ramesh, K.T.: Nanomaterials: Mechanics and Mechanisms, 1. Edition Springer New York, NY, 2009, ISBN 978-0-387-09782-4
• Fahrner, W.: Nanotechnologie und Nanoprozesse - Einführung und Bewertung, 2. Auflage, Springer Vieweg Berlin, Heidelberg, 2017, ISBN 978-3-662-48907-9
• Paschen, H.; Coenen, C.; Fleischer, T.; Grünwald, R.; Oertel, D.; Revermann C.: Nanotechnologie - Forschung, Entwicklung, Anwendung, 1. Auflage, Springer Vieweg Berlin, Heidelberg, 2004, ISBN 978-3-540-21068-9