Projektbeispiele des Fraunhofer-Netzwerkes Nanotechnologie

Die Nanotechnologie bietet vielversprechende Möglichkeiten, um Herausforderungen im Bereich der Ernährung und Umwelt anzugehen.
 

Durch Materialentwicklungen auf atomarer und molekularer Ebene können innovative Lösungen entwickelt werden, um die Effizienz in der Landwirtschaft zu verbessern, die Lebensmittelsicherheit zu erhöhen und umweltfreundlichere Praktiken zu fördern. Nanotechnologie kann beispielsweise dazu beitragen, Pflanzenschutzmittel effektiver einzusetzen, Nährstoffe in Düngemitteln zielgerichtet freizusetzen und Lebensmittelverpackungen länger haltbar zu machen.  
 

Photokatalytisch aktive Beschichtungen

Photokatalytisch aktive Beschichtungen werden zur Funktionalisierung von Oberflächen eingesetzt. Einsatzbereiche sind beispielsweise als Fassadenfarben zur Luftreinigung und /oder Selbstreinigung der Oberfläche. Hierbei werden mittels UV-Licht die in der Beschichtung enthaltenen Photokatalysatoren aktiviert, die die Abbaureaktion von Schadstoffen oder Verschmutzungen initiieren.

Photokatalyse

Das Fraunhofer ISC entwickelt in seiner »Nanoparticle Kitchen« maßgeschneiderte Partikel für die unterschiedlichsten Anwendungen. So werden die Partikel unter anderem zur Herstellung von funktionellen Beschichtungen eingesetzt. Hierfür wird über die Größe der Partikel eine Mikro/Nanostrukturierung mit einstellbarer Porosität auf dem zu beschichteten Substrat erzeugt. Zusätzlich kann die Funktionalität der Partikel durch die Einarbeitung in z. B. Lacke, Kunststoffe oder andere Matrices zur Geltung kommen.

Funktionelle Beschichtungen

Nanoporöse Membranen zeichnen sich durch Poren mit einem Durchmesser im Nanometer- und Subnanometerbereich aus durch die flüssige oder gasförmige Stoffgemische getrennt werden können. Die Trennung der Fluide kann auf Grund des Größenausschlusses (mol sieving), unterschiedlicher Adsorption (adsorption selectivity), Benetzung oder sterischer Behinderung erfolgen. Keramische, nanoporöse Membranen sind durch hohe thermische, chemische und mechanische Stabilität charakterisiert. Als trennaktive Materialien stehen amorphe Metalloxide (Sol-Gel-Synthese), Zeolithe und Kohlenstoff im Mittelpunkt des Interesses.

Nanoporöse Membrane

Mittlerweile finden Membranen bereits vielfach Anwendung bei der Reinigung von Wasser. Dabei werden insbesondere Filtrationsmembranen (Mikro-, Ultra-, Nanofiltration) genutzt, um unterschiedliche Teilchen (Bakterien, Viren) und Substanzen über Größenausschluss abzutrennen. Das Fraunhofer IGB arbeitet hier u. a. an der Entwicklung neuer, grüner Herstellverfahren für Filtrationsmembranen (Green Membranes).

Green Membranes

Die Fertigung von hochmoderner Elektronik und Sensorik im Rahmen von ausgeprägten Trends wie Industrie 4.0, Internet der Dinge oder flexible/tragbare Elektronik erfordert innovative Ansätze zur Integration neuartiger Materialien. Einer dieser Ansätze ist die Verwendung funktioneller Nanomaterialien wie einwandiger Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs).

Kohlenstoffnanoröhren

Sensorik zur schnellen elektronischen Detektion von Nitratkonzentrationen in Bodenproben

Das Fraunhofer IISB in Erlangen erforscht im Projekt FutureIOT Herstellung und Einsatz kostengünstiger Ionensensoren. Mit den siebgedruckten Bauelementen lässt sich beispielsweise die Nitratkonzentration in Bodenproben messen und so der Düngemitteleinsatz in der Landwirtschaft steuern. Im Rahmen des Projekts werden die Sensoren weiter optimiert und mit Cloud-Anwendungen vernetzt. FutureIOT wird von der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) gefördert.

Future IOT

Antihaftbeschichtungen halten Oberflächen sauber

Saubere Oberflächen sind in der verarbeitenden Industrie unabdingbar. Plasmapolymere Easy-to-clean-Beschichtungen bieten ideale Voraussetzungen, um Verschmutzungen auf Oberflächen signifikant zu reduzieren und ihre Reinigung zu erleichtern. Neben ihren hervorragenden Antihafteigenschaften zeichnen sich die Schichten durch ihre geringe Dicke, ihre Transparenz sowie ihre exzellente Haftung zu unterschiedlichsten Substratwerkstoffen aus.

Easy-to-clean Beschichtungen

An Klebeverbindungen werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt, die zum Teil nicht nur hoch, sondern auch widersprüchlich sind. Ein oft noch unerfüllter Wunsch an die Klebtechnik ist ein kontrolliertes und rückstandsfreies Lösen der Klebeverbindung. Gerade im Rahmen einer angestrebten Kreislaufwirtschaft wird der Ruf nach einer lösbaren Klebeverbindung lauter, da dies sowohl im Reparaturfall als auch beim Recycling nach Ablauf der Produktlebensdauer von Vorteil ist. Eine weitere Anwendung für eine lösbare Klebeverbindung ist die zeitliche Fixierung von Werkstücken, zum Beispiel bei der Bearbeitung

Debonding on demand

Abtrennaufgaben von gelösten Stoffen aus Fluiden, wie beispielsweise selektive Phosphatrückgewinnung aus Abwasser, Detektion und/oder Entfernung organischer Spurenstoffe aus Fluiden. Die magnetischen Trägerpartikel können für eine Vielzahl an Aufgaben angepasst werden. Gegenstand dieser Projekte ist u.a. die selektive Phosphatrückgewinnung aus Abwasser, die Entfernung organischer Spurenstoffe und Detektion von Kleinstmengen von Wasser in Lösemitteln.

Magnetische Trägerpartikel

Potenzial der Nanotechnologie für eine nachhaltige und effiziente Energiezukunft
 

Die Nanotechnologie hat das Potenzial, den Energiebereich grundlegend zu verändern. Durch die Manipulation von Materie auf der Nanoskala können innovative Materialien und Geräte entwickelt werden, die effizientere Energiespeicherung, -umwandlung und -nutzung ermöglichen. Nanotechnologie kann beispielsweise in der Solarindustrie eingesetzt werden, um effizientere Solarzellen zu entwickeln, oder in der Batterietechnologie, um leistungsfähigere und langlebigere Batterien herzustellen. Darüber hinaus ermöglicht die Nanotechnologie auch die Entwicklung von energieeffizienten Baustoffen und verbesserten Energieübertragungstechnologien. Durch die Integration von Nanotechnologie in den Energiebereich können wir eine nachhaltigere und sauberere Energiezukunft schaffen.

In Zeiten globaler Anstrengungen zur Minderung des klimaschädlichen CO₂-Ausstoßes spielt das Thema Reibung eine oft unterschätzte Rolle, gehen doch in verschiedensten Fahrzeugen, Maschinen und Anlagen bis zu 20 Prozent der eingesetzten Primärenergien unnötigerweise durch Reibarbeit verloren. Dazu kommt das Problem des tribologischen Verschleißes von Werkzeugen und Komponenten, denn dieser limitiert in etlichen Anwendungen die Lebensdauer von Anlagen bzw. bedingt Ausfall- und Wartungszeiten und sorgt für einen hohen Ressourcenverbrauch.
 

Tribology Innovation Center Dresden

Technologie Tribologie

Die smarten Verschattungslösungen des Fraunhofer-FuE-Zentrum für Elektromobilität Bayern (FZEB) als Teil des Fraunhofer ISC lassen sich insbesondere im Flugzeug-, Automobil- und Architekturbereich verwenden und bieten viele Vorteile wie Blendschutz, Steuerung von Lichtverhältnissen und Innenraumtemperatur sowie Energieeinsparung für Klimatisierung.

Elektrochrome Systeme

Leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien werden zunehmend in allen Bereichen eingesetzt, von Computern, Mobiltelefonen, Multimediageräten, Kleinelektrogeräten, Kleinwerkzeugen, Fahrrädern, Elektrofahrzeugen bis hin zu  Batterie-Speicherkraftwerken. Mit unserem Know-how und unserer Material- und Prozessentwicklung unterstützen wir, z. B. Automobilzulieferer, Batterie- oder Zellhersteller und Materialentwickler.

Batteriematerialien

Deutschland hat die Batterie als Schlüsseltechnologie für sich wiederentdeckt – vor allem seitdem klar ist, dass sich viele große deutsche Automobilhersteller vom Verbrennungsmotor verabschieden und in hohem Maße auf batterieelektrische Antriebskonzepte konzentrieren werden. Seitdem ist eine Aufholjagd im Gange, um den zuletzt unübersehbaren Kapazitäts- und Technologievorsprung asiatischer und US-amerikanischer Konzerne wettzumachen.

Speicher Energiewende

Die kontinuierliche Reduzierung der Fertigungskosten ist neben der Entwicklung neuartiger Batterietechnologien eine notwendige Voraussetzung für die zukünftige Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien für die mobile oder stationäre Energiespeicherung. Die Technologieentwicklung und Skalierung stellen dabei ein entscheidendes Bindeglied zwischen den Grundlagenuntersuchungen und Konzeptentwicklungen im Labor und der industriellen Prozessentwicklung in der Serienfertigung dar.

Batterietechnologie

Schlüsseltechnologien wie Nanotechnologie, Werkstoffe, Nano-Mikroelektronik, Photonik, Produktionstechnologien wird große Bedeutung für die aktuelle und künftige Wettbewerbsfähigkeit wichtiger Industriebereiche zugesprochen. Das Geschäftsfeld Industrielle Technologien analysiert die Technologieentstehung und -entwicklung bis hin zu Fragen der Produktion, Markterschließung und Diffusion entsprechender Technologien in verschiedenen Anwendungen. Das Leistungsspektrum reicht von technischen Potenzialanalysen, wirtschaftlichen Analysen bis zu Untersuchungen gesellschaftlicher und politischer Rahmenbedingungen.

Elektronische Anwendungen sind heute allgegenwärtig und finden sich in allen Bereichen unseres täglichen Lebens. Dies erfordert passende Energiequellen mit hoher Flexibilität in Bezug auf Dicke, geometrische Form Spannung, Kapazität und Gewicht. Die Anwendung der geeigneten Funktionsmaterialien auf flexible Substrate unter Verwendung von Massendrucktechnologien eröffnet neue Möglichkeiten zur Integration von Batterien in duktile Produkte zu integrieren.

Gedruckte Dünnschichtbatterie

Mit dem neuen Projekt „RoSiLIB“ leistet das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden einen entscheidenden Beitrag hin zu einer CO₂-neutralen Energieversorgung in der Mobilität. Dafür werden gemeinsam mit den Partnern des Instituts für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf e. V., der E-Lyte Innovations GmbH, der NANOVAL GmbH & Co. KG, der VON ARDENNE GmbH und der Custom Cells Itzehoe GmbH neue hochenergetische Anoden für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt.

Projekt RoSiLIB

Oberflächen werden intelligent. Sie erhalten neue Eigenschaften, indem in ihre Beschichtung funktionale Materialien integriert werden. Sie verändern sich so nach unseren Ansprüchen und Wünschen, leiten uns, schützen uns, lösen Aktionen aus. Das Spektrum reicht von elektrisch leitfähigen Beschichtungen, elektrischen Widerstandsheizungen, gedruckter großflächiger Sensorik bis hin zu Technologien für eine echte Interaktion zwischen Mensch und Maschine (Human Machine Interface) mittels gedruckter Aktuatoren.

Funktionale Materialien

Leichtbaustrukturen, bestehend aus hochfesten Faserverbundmaterialien in Kombination mit speziell ausgelegten Bauteilgeometrien, können die weltweiten Anforderungen in Richtung energieeinsparender Produkte erfüllen. Um die Kosten für diese Strukturen zu senken, arbeitet das Fraunhofer IWS an einer Vielzahl von Themenschwerpunkten der Fertigungs-Prozesskette.

Moderner Leichtbau

Die Bau­stoff­in­dus­trie ge­hört welt­weit zu den gro­ßen CO₂-Ver­ur­sa­chern. Ma­te­ri­al- und Pro­zes­sin­no­va­tio­nen im Bau sind des­halb ein wich­ti­ger He­bel für das Er­rei­chen der Kli­ma­zie­le. Ge­mein­sam mit eu­ro­päi­schen For­schungs­ein­rich­tun­gen und In­dus­trie­un­ter­neh­men ar­bei­tet das Fraun­ho­fer ISC an ei­ner tech­no­lo­gi­schen Re­vo­lu­ti­on für den Leicht­bau mit Be­ton durch den Ein­satz von Na­no­ma­te­ria­li­en.

Beton einsparen

Bei den Nanokompositen für die Steinbeschichtung handelt es sich im ausgehärteten Zustand um ein überwiegend silikatisches Material, das eine gute Haftung zum Betonwerkstein ermöglicht und eine gute Säurebeständigkeit aufweist.

Beschichtungen Natur-/Steinbeton