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Nanowerkstoffe

Organisatorisches

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

Weitere Infos entnehmen Sie bitte dem Modulhandbuch zum Masterstudium auf den Webseiten der Fakultät Maschinenbau.

Einschreibung zur Teilnahme an der Lehrveranstaltung

Erfolgt über das Moodle-System der TU Dortmund. Den Link hierzu finden Sie weiter unten.

  • Moodle-Raum: 073040 - Nanowerkstoffe WS 2022/2023
  • Einschreibeschlüssel: LWT-WS2223
  • Einschreibefrist: Voraussichtlich bis zum 31.12.2022. 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.

Aktuelle Veranstaltungszeiten und -orte

Die Lehrveranstaltung "Nanowerkstoffe" findet im WS 2022 / 2023 wie folgt statt:

Vorlesung (Präsenzveranstaltung)

  • Termin: Immer freitags, 09:00 - 10:30 Uhr
  • Zeitraum: 14.10.2022 - 03.02.2023
  • Ort: MB / HS 1 (Leonhard-Euler-Str. 5)

Am ersten Termin (14.10.2022) wird eine Einführungsveranstaltung abgehalten.

Übung (Präsenzveranstaltung)

  • Termin: Immer freitags, 10:30 - 12:00 Uhr
  • Zeitraum: 14.10.2022 - 03.02.2023
  • Ort: MB / HS 1 (Leonhard-Euler-Str. 5)

Am ersten Termin (14.10.2022) 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 2022/2023 findet dieser Termin am Freitag, den 27.01.2023 um 10:00 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 am Dienstag, den 21.02.2023, von 08:30 - 09:30 Uhr in der EF50 im HS1 in Präsenz statt.

     

Digitale Lehrveranstaltung (falls erforderlich)

Sollte aus irgendwelchen Gründen (wie z. B. der Corona Pandemie) 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. 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.

REM-Aufnahme eines am LWT analysierten Wolfram-oxid Nanopulvers. © LWT
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.

Konventionell thermisch gespritzte WC-12Co Schicht Mikroaufnahme vs. Nanostrukturierte thermisch gespritzte WC-12Co Schicht © LWT
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, …)
  • Mess- und Charakterisierungstechniken für Nanowerkstoffe und Nanostrukturen
  • Entwicklungsstand und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Nanotechnologie

Vorlesungstermine

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.

Kalender

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Mensapläne

Anfahrt & Lageplan

Der Campus der Technischen Universität Dortmund liegt in der Nähe des Autobahnkreuzes Dortmund West, wo die Sauerlandlinie A45 den Ruhrschnellweg B1/A40 kreuzt. Die Abfahrt Dortmund-Eichlinghofen auf der A45 führt zum Campus Süd, die Abfahrt Dortmund-Dorstfeld auf der A40 zum Campus-Nord. An beiden Ausfahrten ist die Universität ausgeschildert.

Direkt auf dem Campus Nord befindet sich die S-Bahn-Station „Dortmund Universität“. Von dort fährt die S-Bahn-Linie S1 im 20- oder 30-Minuten-Takt zum Hauptbahnhof Dortmund und in der Gegenrichtung zum Hauptbahnhof Düsseldorf über Bochum, Essen und Duisburg. Außerdem ist die Universität mit den Buslinien 445, 447 und 462 zu erreichen. Eine Fahrplanauskunft findet sich auf der Homepage des Verkehrsverbundes Rhein-Ruhr, außerdem bieten die DSW21 einen interaktiven Liniennetzplan an.
 

Zu den Wahrzeichen der TU Dortmund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dortmund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dortmund Universität S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dortmund aus gelangt man mit dem AirportExpress innerhalb von gut 20 Minuten zum Dortmunder Hauptbahnhof und von dort mit der S-Bahn zur Universität. Ein größeres Angebot an internationalen Flugverbindungen bietet der etwa 60 Kilometer entfernte Flughafen Düsseldorf, der direkt mit der S-Bahn vom Bahnhof der Universität zu erreichen ist.

Die Einrichtungen der Technischen Universität Dortmund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hochschule im angrenzenden Technologiepark. Genauere Informationen können Sie den Lageplänen entnehmen.