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Chemischer
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Nanomaterialien

Vielfach wird die Nanotechnologie als eine der wichtigsten Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Diese Technologie befasst sich mit Nanopartikeln. Das sind Teilchen, die zwischen einem millionstel und 100 millionstel Millimeter groß sind – mehr als 1000-mal kleiner als der Durchmesser eines Haars. In dieser Größenordnung ist es nicht mehr nur die chemische Zusammensetzung, sondern auch die Größe und Form der einzelnen Partikeln, die die Eigenschaften bestimmen. Optische, elektrische und magnetische Eigenschaften, aber auch Härte, Zähigkeit oder Schmelzpunkt von Nanomaterialien unterscheiden sich deutlich von den Eigenschaften der makroskopischen Festkörper.

Aus diesem Grunde bietet die Nanotechnologie die Chance, völlig neuartige Materialien zu schaffen, die exakt auf die Bedürfnisse des Marktes und der Verbraucher zugeschnitten sind. Voraussetzung hierfür sind innovative Herstellungsverfahren, die weltweit die Zielstellung vieler Forschungsbemühungen darstellen.

Eine der am besten bekannten Nanomaterialien stellt der in vielen anderen Zusammenhängen eher unerwünschte Flammenruß dar. Daher werden auch Verfahren untersucht, Partikelgrößen des in Verbrennungssystemen entstehende Flammenrußes zu bestimmen und gezielt zu beeinflussen.


 
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Solar2Fuel - Sonnenlichtgetriebene Reduktion von CO2 zu Methanol
(Solar2Fuel)

Solar2Fuel ist ein Verbundprojekt zwischen der EnBW Energie Baden-Württemberg, der BASF SE, der Universität Heidelberg, sowie des Karlsruher Instituts für Technologie. Ziel des Gesamtprojektes ist die Erarbeitung einer neuartigen Technologie für die chemische Umwandlung von Kohlenstoffdioxid (CO2) in Wertprodukte mit Hilfe von Sonnenlicht. Im Fokus steht dabei die Gewinnung von Methanol, als klimaneutralen Kraftstoff in Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen. Innovativ ist dabei nicht nur der technologische Ansatz - speziell funktionalisierte Halbleiter-Nanoteilchen als Katalysatoren - sondern auch das Ziel, industrielle Abgasströme als mögliche Quelle von Wertprodukten zu nutzen. Die stoffliche Verwertung von CO2 aus stationären Quellen könnte einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft und der Vermeidung von klimaschädlichen CO2-Emissionen leisten. Solar2Fuel ist Bestandteil des Spitzenclusters "Forum Organic Electronics in der Metropolregion Rhein-Neckar".

Das Teilprojekt am Karlsruher Institut für Technologie befasst sich mit der ingenieurtechnischen Umsetzung des Prozesses, angefangen von Untersuchungen zum Stoffeintrag der Reaktionsgase in das Reaktionsmedium bis zum Design und der numerischen Simulation eines photochemischen Modellreaktors.


Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt B1: Rußbildung in nicht-adiabaten, instationären Flammen in laminarer und turbulenter Strömung unter Berücksichtigung der Flamme-Wand-Interaktion
(SFB_606_-_B1)
Die Ausbreitung von nicht adiabaten, teilweise vorgemischten Flammen in instationären, turbulenten Strömungs-, Druck- und Temperaturfeldern ist wesentlich für die motorische Verbrennung und die Verbrennung in Gasturbinen. Hierbei ist insbesondere die Wirkung kalter Wände (Brennraumwände von Verbrennungsmotoren Brennkammerwände von Gasturbinen) eine wichtige Einflussgröße, da der strahlungsbedingte Wärmeentzug aus der Flamme die Struktur der Flamme beeinflusst, die Ausbreitungsgeschwindigkeit reduziert sowie die Bildung von Schadstoffen (NOx, Ruß) beeinflusst. In diesem Teilprojekt soll die Rußbildung in nicht-adiabaten Flammen in instationären, laminaren und später auch turbulenten Strömungsfeldern unter dem Einfluß kalter Wände untersucht werden.

Spezifisch modifizierte Carbon Black Nanopartikel (CBNP) durch Gasphasensynthese
(CarbonBlack)
In diesem Teilprojekt werden in ihren Materialeigenschaften spezifisch modifizierte CBNP durch Gasphasensynthese analog zu industriellen Herstellungsverfahren hergestellt und mit unter­schiedlichen Methoden detailliert charakterisiert, u.a. in biologischer Umgebung. Diese spezifisch modifizierten CBNP werden dann den anderen Teilprojekten für die Untersuchung der humantoxikologischen Wirkung für die einzelnen Stufen des mehrstufigen Prüfverfahrens zur Verfügung gestellt. Die durchgeführten Modifikationen der CBNP werden in enger, ergebnisorientierter  Rückkopplung zu den anderen Teilprojekten und den Ergebnissen aus den einzelnen Stufen des Prüfverfahrens angelegt.

Gläser aus Siliziumoxykarbid mit adaptiven haifischartigen Oberflächentexturen: Kontrollierte Strukturierung und Simulation der Wärmeübertragung
(SiOC)
Siliziumoxykarbid-Gläser auf der Basis von Polysiloxanen sind attraktive Beschichtungsmaterialien für Hochtemperatur-Anwendungen wie z.B. Pumpen für Dieseleinspritzmotoren, Wärmeleitverbindungen, Zündkerzen und thermische Schutzschilder mit antikorrosiven Eigenschaften. Das Hauptziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger Siliziumoxidkarbid-Beschichtungen die adaptive Oberflächeneigenschaften aufweisen und in ihrer Struktur Haifischhaut imitieren. Diese Oberflächeneigenschaften resultieren aus dem Vorhandensein biegsamer Fasern an der Oberfläche, deren Ausrichtung sich mit der Temperatur ändert. Die Schwerpunkte des Projektes sind die (i) kontrollierte Trennung von Polysiloxane- Präkursorn in Fraktionen mit unterschiedlichen Molekulargewichten; (ii) thermische Behandlung der Fraktionen bei kontrollierten Erstarrungsbedingungen; (iii) Untersuchung thermischer Eigenschaften mittels thermischer Analyse und Massenspektrometrie;(iv) Untersuchung von Oberflächentexturen mit optischer Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie sowie Transmissionselektronenmikroskopie; (vi) Untersuchung mechanischer Eigenschaften mit dynamische Nanohärtemessung; (vii) numerische Simulation der thermischen Gradienten, die während der Erstarrung entstehen und die Oberflächentexturen verursachen; (viii) numerische Simulation der intensivierten Wärmeübertragung und der Reduzierung des Strömungswiderstandes, die durch die Oberflächenmorphologie bestimmt werden.

Biological Responses to Nanoscale Particles
(SP_1313)
In order to understand and categorize the mechanisms for nanoparticle toxicity, information is needed on the response of biological systems to the presence of NPs of varying size, shape, surface properties and chemical composition, as well as the temporal fate of the nanoparticles that are subject to translocation and degradation processes. The typical pathway within the organ and/or cell, which may be the result of either diffusion or active intra- and intercellular transport, is also of relevance.

A major emphasis of the current programme is also on the impact of NPs on the fundamental biological functions of cell organelles, cells and cell systems. The selected objectives to advance our understanding include the effects of NPs on the induction of oxidative stress, the disturbance of the cellular redox-balance and how these translate into pro-inflammatory processes, the cell signalling pathways and the genome integrity. The following aspects are to be investigated

The effects of NPs on the induction of cellular oxidative stress and on the disturbance of cellular redox-homeostasis. The impact of NP on redox-sensitive cell signalling pathways and on genome integrity in association with cellular function and response including cell cycle arrest, proliferation, and apoptosis.

The evaluation of the generation of reactive oxygen species (ROS) and oxidative stress is envisaged to be achieved by applying a broad spectrum of assays including fluorescence microscopy, detection by flow-cytometry, as well as by analysis of oxidative stress responses such as cellular gluthathione-depletion, protein/DNA oxidation and activation of redox-sensitive signalling pathways. Interactions and effects of NPs with/on mitochondria and the nucleus will be performed using morphological/microscopical assays such as electron microscopy, confocal microscopy and FRET microscopy. Concomitant analyses of mitochondrial function and genomic DNA integrity using various molecular biological approaches is also suggested.


Synthesis and coating of magnetic nanoparticles
(CFN-D3_1)
Im Rahmen dieses Projektes sollen magnetische Nanopartikel in einer Unterdruckbrennkammer synthetisiert und im weiteren Projektstadium beschichtet werden. Zur Charakterisierung kommen laserspektroskopische Methoden wie z.B. Extinktions-, LIF-, LII-, elast. und inelastische Streulichtmessungen zum Einsatz. Ergänzt werden diese Methoden durch durch Messungen mit einem Partikelmassenspektrometer, nasschemische und physikalische Untersuchungsmethoden. Weitere Infos sind auf der CFN-Webseite zu finden.

Handhabung hochdisperser Pulver
(SP1062)

Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts "Maßgeschneiderte feinste Partikel - Synthese, Konditionierung und Anwendung" wird das Teilprojekt "Untersuchung der Reaktion und Partikelbildung in einer Flamme" bearbeitet. Ziel der numerischen Untersuchungen ist die Beschreibung der Rußbildung und des Wachstums in Flammen.

Zu diesem Zweck sollen verschiedene Methoden für die Kopplung der Rußbildung zur turbulenten Strömung untersucht werden (Stichwort: Flamelet-Modelle, Moss-Model).

Zunächst werden die Modelle anhand von Messungen im MIT-JSR-Reaktor sowie im System von Prof. Roth (Pyrolyse in einem Stoßwellenrohr) überprüft. Erst danach ist an eine Erstellung von Flamelet-Bibliotheken gedacht.

Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wird die am Institut für Chemische Technik entwickelte RAYLIX-Messtechnik an einen Plasma-Reaktor zur Rußherstellung im Technikuumsmaßstab adaptiert . Mit Hilfe der in-situ 2D Messung von lokalen Partikelgrößen und Konzentrationen werden die wesentlichen Prozeßparamter zur Beeinflussung der Partikelbildungskinetik identifiziert .