Nanowerkstoffe

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

• Modul: MB-34 (Masterstudium)
• Umfang: 4 SWS
• Sprache: Deutsch
• Koordinator/Dozent: Dr.-Ing. Ingor Baumann

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

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.

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.

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