Naturstoffe – Neue Materialien Nanotechnologie ER W EIT ER UN G· VE RT IEF UN G· AN W EN DU NG 272 Nanostrukturen beim Lotus-Effekt® und Easy-to-clean-Beschichtungen Der selbstreinigende Effekt eines Lotusblattes beruht auf der Mikrobzw. Nanostruktur seiner Oberfläche. Auf ihr gibt es regelmäßig angeordnete Erhebungen und darauf winzige Nanokristalle aus Wachs (B1). Ein Wassertropfen berührt die Oberfläche nur an wenigen Punkten und zieht sich aufgrund der Oberflächenspannung zu einer Kugel zusammen. Beim Abrollen nimmt er die lose auf der Blattoberfläche liegenden Schmutzpartikel mit. Künstlich hergestellte Easy-to-clean-Beschichtungen funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Versuch V1 Anti-Graffiti-Oberfläche aus Nano-Kieselsäure: Verrühren Sie 5 mL Ethanol*, 15 mL Tetraethoxysilan* (Tetraethylorthosilikat) Si(OC2H5)4, 1 mL Salpetersäure*, c = 3 mol/L, 8 mL dest. Wasser, 4 g Kupfer(II)-nitrat-Trihydrat* und 1 mL Essigsäure*, c = 4 mol/L zu einer homogenen Lösung. Lassen Sie die Lösung einen Tag stehen und tropfen Sie dann 30 mL Ethanol* und 10 Tropfen Klarspüler (nichtionisches Tensid) hinzu. Mit dieser Lösung beschichten Sie perfekt gereinigte Objektträger. Befestigen Sie dazu den Objektträger mit einer Wäscheklammer an einem Faden und ziehen ihn langsam mit 2 bis 3 mm/s über eine Metallstange aus der Lösung heraus. Dann erhitzen Sie 1 Stunde lang bei 250°C im Backofen. Vergleichen Sie beschichtete und unbeschichtete Objektträger hinsichtlich der Leichtigkeit, mit der sie sich von Spray reinigen lassen. B1 Das Lotusblatt ist selbstreinigend. Wassertropfen perlen von ihm ab und nehmen den Schmutz mit. Nanoagglomerate für Katalysatoren und Photoelektroden In der AFM1-Aufnahme aus B2 und in der REM2-Aufnahme aus B3 ist zu erkennen, dass sich winzige Nanopartikel mit Durchmessern von 10 nm bis 50 nm zu größeren Agglomeraten zusammengeballt haben. Diese Struktur ist charakteristisch für entwässerte und erhitzte (gesinterte) Proben aus Nano-Metalloxiden. Beim Sintern wird zwischen einem Teil der HydroxyGruppenander Oberfläche der Nanopartikel (vgl.S.268, B2) Wasser abgespalten, sodass die Nanopartikel teilweise über Elektronenpaarbindungen miteinander verbunden werden. Die so gebildeten Agglomerate haben immer noch einige wesentliche Eigenschaften der entsprechenden Nanopartikel, beispielsweise die charakteristische Energielücke von 3,2 eV beim Titandioxid (vgl. S. 271, B5). Daher kann Titandioxid auch in dieser Form als Photokatalysator bei Redoxreaktionen wirken. Ein weiterer Vorteil der Nanoagglomerate zeigt sich beim Einsatz als Material für Photoelektroden von Solarzellen (vgl. S. 82, 83). Da die Nanopartikel teilweise miteinander verschmolzen sind, können die ins Leitungsband angeregten Elektronen vergleichsweise leicht von Korn zu Korn durch das Agglomerat fließen. Von Vorteil ist auch, dass die gesamte Oberfläche des Materials immer noch sehr groß ist. Lichtquanten und Reaktanden können so zu den Nanopartikeln vordringen. B2 AFM1-Aufnahme der Oberfläche eines mit Nano-Titandioxid beschichteten, transparenten Glasplättchens 200 nm 1 Bei der Atomic Force Microscopy (Atomkraftmikroskopie) wird die Oberfläche mit einer spitzen Nadel mechanisch „abgetastet“. 2 Bei der Rasterelektronenmikroskopie wird das Objekt mit einem Elektronenstrahl nach einem bestimmten Muster „gerastert“. 3377_01_01_2012_Kap4_212_273 23.09.14 06:31 Seite 272 Nu r u Pr üf zw ec ke n Ei g nt um d s C .C . B uc hn er V er la gs