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Partikeltechnologie: Vielfältige Winzlinge mit riesiger Bedeutung

Nanopartikel

Nanopartikel (Bild: FAU)

FAU zeigt Flagge auf der Fachmesse POWTECH in Nürnberg

Ganz kleine Dinge sind vom 23. bis 25. April 2013 das ganz große Thema im Messezentrum Nürnberg: Die POWTECH, eine der weltweit führenden Fachmessen für mechanische Verfahrenstechnik, und die PARTEC, einer der größten internationalen wissenschaftlichen Kongresse zum Thema Partikeltechnologie finden parallel unter einem Dach statt; hier treffen sich Forschung und Industrie. Die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) präsentiert ihre jüngsten Entwicklungen und Forschungsergebnisse aus den Bereichen Partikeltechnologie, Katalyse sowie Reaktordesign auf einem eigenen Stand auf der POWTECH und in über 30 wissenschaftlichen Vorträgen und Postern auf der PARTEC.

Die wirtschaftliche Bedeutung von Partikelsystemen ist riesig: Allein in der chemischen Industrie werden rund zwei Drittel aller Produkte in partikulärer Form verkauft, mehr als 80 Prozent aller Produkte kommen während ihrer Herstellung in Kontakt mit Partikeln. Die meisten Zukunftstechnologien beruhen auf innovativen Materialsystemen: Hochleistungsfähige Solarzellen, Batterien oder Handys sind ohne Partikeltechnologie nicht mehr denkbar und produzierbar. Nanostrukturen werden heute in vielfältigen Anwendungsgebieten genutzt, beispielsweise im Leichtbau, in der Energietechnik, aber auch in der Medizin und in der Kosmetik. Sie tragen dazu bei, umweltverträglicher, energiesparender oder ressourcenschonender zu produzieren. Materialien verändern in Nanogröße ihre Eigenschaften. Sie haben in dieser Dimension andere Farben, Schmelzpunkte oder elektrische Leitfähigkeiten und bieten einzigartige neue Gestaltungsmöglichkeiten.

Geballte Kompetenz der FAU auf der Powtech

Auf der POWTECH in Nürnberg zeigt die FAU in Halle 5, Stand 103, welch einmalige Dichte an herausragender Forschungskompetenz in der Partikeltechnologie in Erlangen in den vergangenen Jahren entstanden ist. Als methodisch orientierte Querschnittsdisziplin arbeitet sie in einem einzigartigen interdisziplinären Ansatz mit den Fachrichtungen der Anwendungsbereiche Optik, Elektronik, Katalyse, Leichtbau und den Lebenswissenschaften eng zusammen.

Am Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik (LFG) steht die Erzeugung, Formulierung und Charakterisierung von Partikeln im Mittelpunkt. Zwei Wege führen zu Partikeln im Nanokosmos: Entweder verkleinert man sie bis zur gewünschten Größe (top down) oder man baut sie durch chemische Reaktionen aus einzelnen Atomen oder Verbindungen auf (bottom up). Mit modernsten Verfahren der Partikelsynthese in der flüssigen Phase und der Gasphase sowie mit Methoden des Zerkleinerns, des Versprühens und des Emulgierens werden Partikelsysteme definiert hergestellt. Wesentlich ist, dass die Eigenschaften letztlich von der Größe, Form, Struktur und Oberfläche der Partikel abhängen. Ihre gezielte Herstellung sowie die Prozess- und Produktoptimierung wird immer auch durch Verfahren der Modellbildung und Simulation unterstützt und begleitet. Ein wichtiger Trend geht zu immer feineren Partikelgrößen. Partikel mit Größen im Bereich unterhalb von 10 µm und im Nanometerbereich weisen sehr hohe Oberflächen auf, d.h. sie sind grenzflächenbestimmt. Einen besonderen Schwerpunkt stellt daher die Steuerung von Oberflächeneigenschaften durch chemische Funktionalisierung in Flüssigkeiten oder durch Beschichten in der Gasphase (z.B. Atomic Layer Deposition) dar. Partikelwechselwirkungen werden dafür auch mit modernsten Methoden physikalisch und chemisch charakterisiert, darunter auch durch die besonders grenzflächensensitive nichtlineare Spektroskopie oder die Rastersondenmikroskopie.

Das interdisziplinäre Arbeiten in Prozessketten „Vom Molekül/Partikel zum Material“ steht im Fokus des Exzellenzclusters Engineering of Advanced Materials (EAM). Seine Forschung zielt darauf ab, Partikel mit definierten Größen, Formen und Oberflächeneigenschaften zu erzeugen, die dann zu funktionalen Strukturen mit ganz spezifischen Eigenschaften zusammengebaut werden. Am Ende dieser Prozessketten im EAM stehen elektronische Bauelemente wie Feldeffekttransistoren, Leuchtdioden oder Solarzellen. Außerdem können so auch optische Metamaterialien erzeugt werden – also Materialien mit völlig neuen optischen Eigenschaften – sowie Katalysatoren mit besonderer Selektivität oder so genannte Leichtbaustrukturen: zellulare Strukturen aus Metallen, die als sehr leichte, aber mechanisch hochbelastbare Strukturkomponenten etwa im Automobilsektor, als medizinische Implantate oder auch als Gerüst für Katalysatoren eingesetzt werden. Dafür arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus acht Disziplinen der FAU (Chemie- und Bioingenieurwesen, Chemie, Elektrotechnik, Informatik, Maschinenbau, angewandte Mathematik, Physik und Werkstoffwissenschaften) eng mit Partnern wie den Erlanger Fraunhofer Instituten IIS und IISB sowie der Industrie zusammen.

Maßgeschneiderte Moleküle und Partikelsysteme für die Katalyse

Am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik (CRT) stehen Ionische Flüssigkeiten (IL) im Vordergrund. Diese bestehen ausschließlich aus Ionen, besitzen einen sehr niedrigen Dampfdruck und sind bei Raumtemperatur flüssig. Ihre Eigenschaften lassen sich für ein breites Anwendungsspektrum maßschneidern – etwa als Bestandteil von Schmierstoffen für Windräder oder in Verbrennungsmotoren. Eine wichtige Rolle spielen sie auch in der Katalyse, z.B. in der sogenannten SILP (supported ionic liquid phase)-Technologie, bei der Ionische Flüssigkeiten auf poröse Trägermaterialien immobilisiert werden. Durch Einbringen eines Katalysators in der IL können die Vorteile von heterogener und homogener Katalyse (molekulares Katalysatordesign, leichte Produktabtrennung) kombiniert werden. So können Katalysatoren entwickelt werden, die eine möglichst große Wirkung bei einem möglichst geringen Materialeinsatz erzielen.

Poröse Materialien für neue Reaktorsysteme

Die Chemische Reaktionstechnik zeigt außerdem Reaktorsysteme, die geometrisch komplex aufgebaut und gleichzeitig mechanisch, thermisch und korrosiv hochbelastbar sind. Als Grundstrukturen dieser Reaktoren dienen poröse metallische Bauteile, die durch selektives Elektronenstrahlschmelzen, einer speziellen Methode der additiven Fertigung, erzeugt werden. In diesem Verfahren kann nahezu jede dreidimensionale Form inklusive Reaktoreinbauten (z.B. interne Zellstruktur, Kühlschleifen) in nur einem Fertigungsschritt realisiert und danach die Oberfläche mit katalytisch aktiven Materialien beschichtet werden. So entstehen neuartige Katalysatorstrukturen oder Mikroreaktorelemente, die in dieser Form einmalig sind. Diese Technologie wird derzeit im Projekt „Neue Materialien und Fertigungsprozesse für Komponenten in der Verfahrenstechnik – VerTec“ in Fürth etabliert und soll idealerweise bald in Pilotprojekten mit der Industrie eingesetzt werden.

Besuchen Sie uns auf der POWTECH, Halle 5, Stand 103.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Wolfgang Peukert
Tel. 09131 / 85-29400
wolfgang.peukert@fau.de

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