1Wohlleben, TU München 14.01.2009
Nachhaltige Technologieentwicklung mit Nanomaterialien
Nachhaltige Technologieentwicklung mit Nanomaterialien
Dr. Wendel WohllebenTU München, 14.01.09Dr. Wendel WohllebenTU München, 14.01.09
2Wohlleben, TU München 14.01.2009
Was ist Nano-Technologie ?
Risiko = Gefahr x Exposition
Markterwartung & Forschungs-Investitionen
Energie, Effizienz und andere Chancen
3Wohlleben, TU München 14.01.2009
Natürliche Nanomaterialien
Nanostrukturierte Materialien weisen in mindestens einer Dimension Größenordnungen < 100 nm auf.
Nano-Partikel
Ruß
Lotus-Blatt
Nano-Oberfläche
Opal
Nano-Material
4Wohlleben, TU München 14.01.2009
Materialeigenschaften verändern sich unterhalb 100 nmOberflächeReaktivitätOptik LeitfähigkeitMechanikMagnetismus....
Nano-Komposit-Materialien kombinieren gegensätzliche Eigenschaften
Neuartige Eigenschaften durch Nanostrukturen
200 nm
CaCO3Proteine
5Wohlleben, TU München 14.01.2009
Materialeigenschaften verändern sich unterhalb 100 nmOberflächeReaktivitätOptik LeitfähigkeitMechanikMagnetismus....
Nano-Komposit-Materialien kombinieren gegensätzliche Eigenschaften
Neuartige Eigenschaften durch Nanostrukturen
100 nm
Polybutadien Polystyrol
6Wohlleben, TU München 14.01.2009
Nanotechnologie ist die gezielte Erzeugung von Strukturen < 100 nm, durch die das
Material neuartige Eigenschaften gewinnt.
0,1nm
1nm
10nm
100nm
1µm
10µm
1mm
10mm
100mm
1m
Nano Mikro Makro
100µm
7Wohlleben, TU München 14.01.2009
Komposit-Materialien: Definition und Vorteile
Physical Properties Organic materials (polymers)
Inorganic materials (glass, ceramics)
Tg Low (-120 to 200 °C) High (>>200 °C)Thermal stability Low HighDensity 0,9 – 1,2 g/cm³ 2,0 – 8,0 g/cm³
Refractive index 1,2 – 1,6 1,15 – 3,0Mechanical properties Elastic
FlexibleRubbery
HardStrongBrittle
Electronic and magnetic properties
Insulating to semiconductiveNon-magnetic
Insulating to conductiveMagnetic
Composites / Hybrid materialsHybrid materials consist of both inorganic and organic components, which are homogeneously distributed on the nanometer level. Hybrid materials shall combine the desired properties of both components.
8Wohlleben, TU München 14.01.2009
TechnologieBasismaterialien
Nanopartikel
Nanoröhrchen
Nanoplättchen
Zwischenprodukte
Nanomodifizierte Kunststoffe
Nanomodifizierte Beschichtung
Nanomodifizierte Schäume
Nanostrukturierte Komponenten
Mobilität, Bau, Medizintechnik, Elektronik
Nanotechnologie und Marktbedürfnisse
Markt (Auswahl)Leichtbau
Funktionelle Verpackung
Kratzfeste Lacke, Reibungsarmut
Funktionelle Textilien
Photovoltaik
Dämmung
Energiespeicherung
Effiziente Beleuchtung
Wasser-Aufbereitung(Membranen, Filter, Katalysator)
Information & Kommunikation
Medizintechnik
Vgl. Niels Boeing „Grün, grüner, nano ?“ www.heise.de/tr/artikel/print/119408
9Wohlleben, TU München 14.01.2009
Was ist Nano-Technologie ?Gezielte Strukturierung < 100 nm mit neuartigen Eigenschaften
Risiko = Gefahr x Exposition
Markterwartung & Forschungs-Investitionen
Energie, Effizienz und andere Chancen
August 29-31, 2007Nano Korea 2007 10
Risiko = Gefahr x Exposition
Große Gefahr !
Große Gefahr, keine ExpositionGeringes Risiko !
Bildquelle: www.gewinn.com
August 29-31, 2007Nano Korea 2007 11
• Normung ISO & OECD, VCI, ..• Nanotruck (BMBF 2004-2008), Nanologue (Deutsches Museum 2007), Ev. Kirchentag (2007), Expertendialoge Verbraucherverbände (2007), Bürgerdialoge (NanoCare 2008) ...
• NanoKomission mit Arbeitsgruppen des NanoDialogs (BMU 2006-2008)
• Geringes Risiko von Nano-Oberflächen, Nano-Komposit-Materialien• Gesunde Haut bietet guten Schutz• Aufnahme über Magen-Darm-Trakt weniger gut erforscht• Auswirkungen freier Partikel auf die Umwelt weniger gut erforscht
Teilnehmer am NanoDialog: BMU, BMBF, BLAC, BASF, Henkel, Evonik-Degussa, Nanogate, VCI, BDI, vzbv, BUND, DGB, Wissenschaft www.bmu.de/nanokomission
Vorbildliche Diskussion von Chancen und Risiken der Nanotechnologie: Deutschland
Besorgniskriterien:Exposition gegeben, hohe Mobilität, Reaktivität, Persistenz oder Toxizität der Materialien
Entlastungskriterien:Exposition weitgehend ausgeschlossenMaterialien eingebunden in KompositMaterialien löslich / biologisch abbaubar, intrinsisch niedrige Toxizität
August 29-31, 2007Nano Korea 2007 12
Joint research to face Health and SafetyIssues
Start: 1st march 2006 duration: 3 yearsProject volume: 8 Mill. €BMBF: ca. 5.2 Mill. €Industry part: ca. 2.8 Mill. €
Partners:BASF SEBayer MaterialScience AGEvonik-Degussa AGForschungszentrum Karlsruhe GmbHIBE e.V.IGFItN Nanovation GmbHIUTA e.V.SOLVAY Infra Bad Hönningen GmbHSusTech GmbHUniversität BielefeldUniversität des SaarlandesUniversität Münster
BMBF Project NanoCare:Companies and scientific institutions join forces to research the effects of industrially-produced nanoparticles on human health and the environment.
BASF is taking part in more than 10 European projects and networks regardingNanotechnology Safety Issues
BASFs Code of Conduct Nanotechnology, commitment to Responsible Care®.
August 29-31, 2007Nano Korea 2007 13
Communication of results
„Geeignete Methoden zur Prüfung der Sicherheit von Nanomaterialien“, Landsiedel, Wiench, Wohlleben, Chemie Ingenieur Technik 80 (2008) 1641
www.basf.de/dialog-nanotechnologie/sicherheitsforschung
Aerosol generation “Characterization of Aerosolized Nano-Materials”, Ma-Hock, Gamer, Landsiedel, Leibold, Frechen, Sens, Huber, van Ravenzwaay, Inhalation Toxicology 19 (2007) 8335-day inhalation test “Development of a short-term inhalation test in the rat using nano-titanium dioxide as a model substance”, Ma-Hock, Burkhard, Strauss, Gamer, Wiench, Ravenzwaay, Landsiedel, Inhalation Toxicology in press, (2008)Maximum translocation “Tissue distribution and toxicity of intravenously administered titanium dioxode(TiO2) nanoparticles in rats”, Fabian, Landsiedel, Ma-Hock, Wiench, Wohlleben, van Ravenzwaay, Archives in Toxicology 82 (2008) 151Ecotoxicology “Effects of TiO2 and ZnO nanoparticles on Daphnia magna”, Wiench, Wohlleben, Hisgen, Jänsch, Knacker, Liebig, Radke, Salinas, Zok, Landsiedel, submitted to Environmental Toxicology and Chemistry (2007)Mutagenicity „Do nano-particles induce mutations in salmonella strains ?”, Schulz, Landsiedel, Wohlleben, Frechen, van Ravenzwaay, to be submittedDispersion „Not ready to use – overcoming pitfalls when dispersing nanoparticles in physiological media“, Schulze, Kroll, Schäfer, Lehr, Becker, Schulze-Isfort, Schnekenburger, Landsiedel, Wohlleben, Nanotoxicology 2 (2008) 51
August 29-31, 2007Nano Korea 2007 14
Clear Principles for NanotechnologyBASFs Code of Conduct Nanotechnology
Based on our commitment to Responsible Care®, we defined clear principles:
We identify sources of risk for employees in our laboratories, production plants, packing and storage facilities and eliminate these using appropriate measures in conduction with safety actions
We take the risks of new technologies in products and processes seriously and work continuously to identify potential environmental and health risks.
We are committed to transparency and contribute constructively to public debate and drawing up legislation.
www.corporate.basf.com/de/sustainability/ dialog/nanotechnologie/verhaltenskodex.htm
Deutscher Nachhaltigkeitspreis 2008Dow Jones Sustainability Index
15Wohlleben, TU München 14.01.2009
Was ist Nano-Technologie ?Gezielte Strukturierung < 100 nm mit neuartigen Eigenschaften
Risiko = Gefahr x ExpositionStaub-Exposition kann (je nach Partikel-Typ) kritisch sein: Arbeitsschutz!Kein Risiko von Endverbraucherprodukten (Komposit-Materialien).
Markterwartung & Forschungs-Investitionen
Energie, Effizienz und andere Chancen
16Wohlleben, TU München 14.01.2009
Automobil-Komponenten
Energie
Elektronik
Bau
Medizintechnik
....
Forschung
Chemie
Physik
Analytik
Material -Wissenschaft
Biologie
EndprodukteVeredelteZwischenprodukte
Nano-Material
Nano-Oberfläche
Nano-Formulierung
Nano-ermöglichte Wertschöpfungskette2015: erwarte 750 Mrd € Endprodukte
17Wohlleben, TU München 14.01.2009
BASF auf einen Blick
BASF ist das weltweit führendeChemieunternehmen– the Chemical Company.
Unser Ziel ist es, durch profitablesWachstum den Wert unseresUnternehmens ständig zusteigern und die Nummer eins in derChemie zu bleiben. Wir verbinden wirtschaftlichen Erfolgmit gesellschaftlicher Verantwortungund dem Schutz der Umwelt.Wir tragen dazu bei, Antworten auf globale Herausforderungen wieKlimaschutz, Energieeffizienz, Ernährung und Mobilität zu finden.
Umsatz € 58 Mrd (plus 10%) EBIT € 7,6 Mrd (plus 5%) R&D Aufwendungen € 1,4 Mrd(2007)
18Wohlleben, TU München 14.01.2009
BASF’s products and intelligent solutions
Plastics
PerformanceProducts
Agricultural Products& Nutrition
Oil & Gas
Chemicals
19Wohlleben, TU München 14.01.2009
Plattform-übergreifende Forschung in Wachstums-Clustern:
2006 – 2008 etwa € 920 million
Nanotechnologie & Energie bei BASF: Wachstums-Cluster
Rohstoffwandel; 100
Weisse Biotechnologie; 160
Nanotechnologie; 180
GrüneBiotechnologie; 400
Energie-Management; 80
20Wohlleben, TU München 14.01.2009
Was ist Nano-Technologie ?Gezielte Strukturierung < 100 nm mit neuartigen Eigenschaften
Risiko = Gefahr x ExpositionStaub-Exposition kann (je nach Partikel-Typ) kritisch sein: Arbeitsschutz!Kein Risiko von Endverbraucherprodukten (Komposit-Materialien).
Markterwartung & Forschungs-Investitionen 2015 Nano-Markt 750 Mrd €, davon chemische Komposite 40 Mrd €
Energie, Effizienz und andere Chancen
21Wohlleben, TU München 14.01.2009
175 34 16 33 11
Quelle: Universität St. Gallen, Prof. Gassmann
Erfindungen Innovation
Produkte Markt ErfolgIdeen Projekte
Es geht um Ideen
Aber nicht jede Idee ist ein Markterfolg
22Wohlleben, TU München 14.01.2009
Ultradur® High Speed
Neues Design, effiziente Produktion
AntimikrobielleOberflächen
Vermindertes Infektionsrisiko
Nano-SchäumeEffiziente
Wärmedämmung
Energie-Management, Organische Elektronik
COL.9®
Innovation für langlebige und
saubere Fassaden
Mincor® TX TTLotuseffekt:
Selbstreinigende Textilien
Nanotechnologie bei BASF:Innovations-Pipeline (Beispiele)
Launch ProduktIdee
1
2
35
64
23Wohlleben, TU München 14.01.2009
Lighting currently uses 20% of all electrical energy worldwide
Huge potential for energy saving
3
25Wohlleben, TU München 14.01.2009
Ziel im Vergleich zur Glühbirne:Leuchteffizienz 4 xLebenszeit 5 xHelligkeit 1 x
Ansatz:Entwicklung einesphosphorisierenden Farbsystems
Device-Entwicklung in Zusammenarbeit mit einemEntwicklungspartner
Device-Entwicklung
Materialien
Gemeinschaftsentwicklung mit OSRAM und Philips
EnergiemanagementOLED-Beleuchtung
Geschäftsmodell
Kunde
Partner
Royalties
MaterialienBASF inside:
3
26Wohlleben, TU München 14.01.2009
Sun is powerful and for free …… but not cheap
Σ = ca. 900,000 km2
with solar cells of8 % efficiency: 18 TW*
* global energy demand 2006: 14 TW(28 TW expected in 2050)insolation power of the earth
in 2008PV-power costs
ca. 8 xthe cost of
conventional power
3
29Wohlleben, TU München 14.01.2009
Markenschutz
Schaltkreise erfordern: Inverter, Ring-Oszillatoren, Flip-flops etc.
BeispielBeispiel: RFID: RFID--tagstags
3
RFID – Anwendungen
3
Mit COL.9® bleibenFassaden sauberer und sehen länger gut aus.
Mit COL.9® bleibenFassaden sauberer und sehen länger gut aus.
4
31Wohlleben, TU München 14.01.2009
Eine weiche Polymer-Oberfläche...ist klebrignimmt leicht Schmutz anhat niedrige Bindekraftist nicht kratzfest
Filmbildung bei niedriger Verarbeitungstemperatur erfordert einen weichen polymeren Binder
Filmbildung einer FassadenfarbeFilmbildung einer Fassadenfarbe4
32Wohlleben, TU München 14.01.2009
Nanocomposite DispersionsGoal: hard polymer film but low film formation temperature
silica sol
emulsionpolymerization
Nanocomposites
polymeracrylates
AFM
Film formation:
hard particlesin a soft
polymer matrix
4
33Wohlleben, TU München 14.01.2009
Color Retention
Chalking Resistance
Dirt Pickup Resistance
Crack Resistance
COL.9™ DS 1100The Innovation for Waterborne Facade Paints with Outstanding Durability
Improved Properties of Paints Basedon Nanocomposite DispersionImproved Properties of Paints Basedon Nanocomposite Dispersion
homogeneous distribution of silica in acrylate matrix
TEM ultra thin cut
200 nm
4
34Wohlleben, TU München 14.01.2009
Produktreihe High-Speed: Nano-Thermoplast schont Ressourcen und steigert die Produktivität
Nicht gedämmt gedämmt
PRODUKTEUltradur High Speed, Ultramid High Speed
NUTZENNeues Design, effiziente Produktion durch Verkürzung der Zykluszeiten
STATUSLaunch
MARKTEINFÜHRUNG2007 bzw. 2008 erfolgt
PARTNERDiverse KundenFreischwingerstuhl
‚Myto‘
6
35Wohlleben, TU München 14.01.2009
0,7
1,0
1,30,71,01,3
Costs (normalized)
Envi
ronm
enta
l Im
pact
(nor
m.)
standard Ultradur Ultradur High Speed
Advantages* in energy consumption and CO2 emissions:Electricity and material savings
Ultradur® High Speed®
- Energy Savings -
Savings equivalent to driving75.000 cars** for one year !
Reduction of 220.000 metric tons CO2- emissions in one year !
*Calculated for an average energy consumption of injection molding machine of 3 kWh/kg PBT and a Worldwide PBT
injection market of about 610.000 metric tons per year.
**Calculated with a gasoline VW Golf 75 HP (emissions: Euro 4)
6
36Wohlleben, TU München 14.01.2009
Globale Forschungsaktivitätenim BASF R&D Verbund
BASF AdvancedResearch Initiative at Harvard University
BASF Labor am ISIS Straßburg Universität
BASF Global Research CenterSingapur
Drug delivery SystemePolymer basierte Formulierungen
Verhinderung von BiofilmenKontrolle von Biofilmen durch funktionalisierte Oberflächen
Nanostrukturierte OberflächenOrganische Elektronik
Supramolekulare Systeme
Nanoporöse Materialien
BASF Ludwigshafen Technologieplattformen
37Wohlleben, TU München 14.01.2009
Lösungen
Technologische AnsätzeNanotechnologieProzess-SteuerungSystemintegrationKatalyse
Ökonomie (Endlichkeit derfossilen Brennstoffe)Ökologie (Klimawandel) Politik (Importabhängigkeit)
Herausforderungen
Die Energie der Zukunft ?
Energie-Quellen: Photovoltaik
Energie-Speicherung: Batterien
Energie-Umwandlung: Brennstoffzellen
Energie-Effizienz: Thermoplasten, OLEDs,…
38Wohlleben, TU München 14.01.2009
Einflüsse der Nanotechnologie auf die Umwelt
Gezielt positive Innovation: Energierevolution
• Regenerative Energien• Neue Energie-Speicher
Entfernung von Schadstoffen• Sanierung von Böden• Wasseraufbereitung
Indirekt positive Innovation: Effizienzsteigerung
• Effizientere Produkte• Langlebigere Produkte• Ressourcen- & Energie-effiziente Prozesse
Ungewollt negative Effekte: Risiko = Gefahr x Exposition
• Arbeitssicherheit• Produktsicherheit • Öko-Toxikologie
www.basf.de/dialog-nanotechnologie/sicherheitsforschung
39Wohlleben, TU München 14.01.2009
40Wohlleben, TU München 14.01.2009
Weitere Lektüre
Bericht und Empfehlungen der NanoKommission der deutschen Bundesregierung 2008
hrsg. von W.-M. Catenhusen; www.bmu.de/nanokommission
Niels Boeing „Grün, grüner, nano ?“ (Teile 1-3)
www.heise.de/tr/artikel/print/119408 /119668 /119669 (abgerufen am 08.12.2008)
Nature Feature „Electricity without Carbon“
Nature 454 (2008) 816 – 823; www.nature.com/news/2008/080813/full/454816a.html