Nanopartikel und Nanokomposite

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Poröse Keramikmaterialien dienen als Wasserfilter gegen bakterielle Verunreinigungen, wobei mithilfe von beschichteten Y2O3-Nanopartikeln auch Viren elektrostatisch herausgefiltert werden können.

Nanomaterialien (ob in Form von Partikeln, Drähten oder Röhren) besitzen einzigartige physikalische Merkmale, wie zum Beispiel von Quanteneffekten bestimmte elektronische Eigenschaften, eine höhere mechanische Festigkeit und natürlich eine besonders grosse spezifische Oberfläche. Für die Synthese von Nanopartikeln, Nanokristallen, Nanofasern und Kohlenstoffnanoröhren in labor- und pilotüblichen Chargen verfügt die Empa über umfassende Kompetenzen und exzellente Anlagen. Mithilfe der Flammspraysynthese (FSS) werden Oxid-Nanopartikel wie Siliziumoxid, Titandioxid, Zirkonoxid, Perowskite, verschiedene Arten von Mischoxiden und Kompositpartikel mit klar definierter Zusammensetzung und Morphologie hergestellt. Nicht oxidbasierte Nanopartikel wie Karbide und Nitride werden mithilfe der induktiv gekoppelten Vakuum-Plasma-Technologie (ICP) aus festen Vorläufermolekülen gewonnen. Zudem dient eine ICP-Anlage zur Erzeugung von grösseren Mengen Silizium-Nanopartikel. Nanofasern mit unterschiedlicher Zusammensetzung werden durch Elektrospinnen produziert, weitgehend monodisperse Metall- und Halbleiter-Nanokristalle mit Durchmessern von 3 bis 20nm durch Einsatz kolloidchemischer Verfahren.

In den Pilotanlagen der Empa werden Nanomaterialien in Mengen hergestellt, wie sie zur Entwicklung von neuartigen Verbundwerkstoffen und Beschichtungen benötigt werden. So lassen sich beispielsweise mithilfe von genau abgestimmten Oxid-Nanopartikeln die mechanischen Merkmale, die Kratzfestigkeit, die Superhydrophilie, die Reinigungsfähigkeit und die antibakteriellen Eigenschaften von Polymer-Verbundwerkstoffen optimieren. Die funktionalen und strukturellen Praxiseigenschaften von metallischen und keramischen Werkstoffen, so u.a. ihre Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit, Härte, Verschleissfestigkeit und Hochtemperaturstabilität, können durch den Einbau ultrafeiner Strukturen im Nanoformat erheblich verbessert werden. Silizium-Nanopartikel oder Zinn-Nanokristalle sind zudem erstklassige Anwärter, um Grafit als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkus zu ersetzen. Kompositen aus diesen Materialien weisen eine gravimetrische Kapazität auf, die mehr als dreimal höher ist als bei Grafit, wobei auch die nicht unbedeutende Zyklenbeständigkeit hervorragend ist.

 

Prof. Dr. Thomas Graule

Prof. Dr. Thomas Graule
Abteilungsleiter

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Prof. Dr. Giovanni Terrasi

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