Nanowerkstoffe

Allgemeines

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

• LSF-Kursnummern: 073040 (Vorlesung), 073041 (Übung)
• Modul: MB-34 (Masterstudium)
• Umfang: 4 SWS
• 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. 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 Lehrveranstaltung "Nanowerkstoffe" findet im WS 2023 / 2024 wie folgt statt:

Vorlesung

• Termin: Immer freitags, 09:00 - 10:30 Uhr
• Zeitraum: 13.10.2023 - 02.02.2024
• Ort: MB / HS 1 (Leonhard-Euler-Str. 5)
• Art: Präsenzveranstaltung

Am ersten Termin (13.10.2023) wird eine Einführungsveranstaltung abgehalten.

Übung

• Termin: Immer freitags, 10:30 - 12:00 Uhr
• Zeitraum: 13.10.2023 - 02.02.2024
• Ort: MB / HS 1 (Leonhard-Euler-Str. 5)
• Art: Präsenzveranstaltung

Am ersten Termin (13.10.2023) wird anstelle der Übung eine Vorlesung abgehalten.

Fragestunde zur Prüfung und Wrap-Up der Prüfungsthemen

• 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. Im WiSe 2023/2024 findet dieser Termin am Freitag, dem 26.01.2024 um 10:30 Uhr im MB / HS 1 (in Präsenz) statt.
• 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)
• Prüfungstermin: Die Klausur „Nanowerkstoffe“ findet im WiSe 2023/2024 am Dienstag, dem 20.02.2024 von 17:30 bis 18:30 Uhr in der Emil-Figge-Straße (EF) 50, HS 1 statt.

   

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

• Moodle-Raum: 073040 - Nanowerkstoffe WS 2022/2023
• Einschreibeschlüssel: LWT-WS2324
• Einschreibefrist: Voraussichtlich bis zum 31.12.2023. 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.

Sollte die Abhaltung einer Präsenzveranstaltung nicht möglich sein, werden Vorlesungen und Übungen alternativ in digitaler Form via der Software Zoom durchgeführt. Dies wird vorher ausdrücklich bekannt gegeben, ansonsten werden alle Veranstaltungen in Präsenz abgehalten. 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

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.

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.

• 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