Brussel-Bruxelles Charleroi Gent Hasselt Leuven Liège
Liège Science Park Rue du Bois Saint-Jean 12 BE-4102 Seraing tel. : +32 4 361 87 00 fax : +32 4 361 87 02
[email protected] www.sirris.be
Toepassingen van nanotechnologie
F. Monfort-Windels, J. Lecomte
Januari 2008 – V. 2
Niets uit deze uitgave mag worden verveelvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm, door elektronische middelen of op welke wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.
Inhoudstafel
Inle idin g ............................................................................................. 5 Nanot echnol ogieën t en dienste v an de K MO’s .................................. 7 door F. Monfort-Windels - Sirris
« K o o l s t o f -n a n obu i s j e s » z e gt u ? ....................................................... 13 door Ch. Bruynseraede - IMEC
N a n ot e chn ol o g ie e n t e xt iel .............................................................. 17 door K. Van de Voorde - IMEC; M. Schaerlaekens en T. De Meyere - Centexbel; C. Hertleer - UGent -Studie Eenheid Textielkunde
Na n ot echn ol o g ie in d e aut o : d at l o opt o p w ielt jes ! ........................ 21 door F. Monfort-Windels - Sirris
Met
nanot echn ol ogie
naar
ee n
m il ieuv r ien del ijke ,
duu r zame
m aat sch ap p ij ................................................................................... 29 door A. Buekenhoudt, L. Bastiaens en L. Diels - VITO
Nanot echnol o gie in duu rzame ene r gieproduct ie ............................. 35 door F. Snijkers - VITO
N a n ot e chn ol o g ie in d e b ou wsect o r ................................................. 41 door F. Monfort-Windels - Sirris
Een dag uit het lev en v an N ick de nano-ne r d .................................. 47 door F. Monfort-Windels - Sirris
Na n ot echn ol ogie in de b iomedis che sect or ..................................... 53 door D. Maes - IMEC
Va n M i c r o- n aa r N an o - S yst e men ...................................................... 59 door Ch. Bruynseraede - IMEC
Toe passingen v an Micro- en Nano-s ystemen .................................... 65 door Ch. Bruynseraede en E. Parton - IMEC
N a n ot e chn ol o g ie op je b or d ............................................................ 71 door S. Paulussen - VITO
N a n ot e chn ol o g ie , h o e st aat het e r nu m e e ? ................................... 75 door F. Monfort-Windels - Sirris
Inleiding De artikels in deze brochure zijn gepubliceerd in de reeks “Kleine Technologie met grote resultaten” van het tijdschrift PME/KMO en overgenomen met de vriendelijke toestemming van de uitgever en de auteurs. Met Minatuse, dat het label « Eureka » voert, wil de Europese Gemeenschap in de eerste plaats micro- en nanotechnologie naar KMO’s brengen. Om hun deelname aan Europese projecten te vergroten, krijgen de KMO’s ook begeleiding via een Europees netwerk. Het consortium bestaat uit 18 organisaties afkomstig uit 12 verschillende landen. Het groepeert een aantal belangrijke Europese centres of competence met onderzoekspotentieel op het vlak van nanotechnologie en organisaties die zich bezig houden met technologische innovatie en met technologietransfer en verspreiding. Het project is in 2005 van start gegaan. Het zal 6 jaar duren en wordt geleid door IMEC (België). De Belgische partners zijn CeRDT (Gosselies), Sirris (Luik), IMEC (Leuven) en VITO (Mol). Zij zullen u tijdens deze reis in 13 etappes begeleiden. Voor meer informatie of om gebruik te maken van de geboden begeleiding bij het Minatuse-project kan u terecht bij de Belgische partners:
CeRDT, Philippe Crêteur,
[email protected], tel 071 91 98 65, www.cerdt.be
Sirris, Jacky Lecomte,
[email protected], tel 04 361 87 65, www.sirris.be
IMEC, Christophe Bruynseraede,
[email protected], tel 016 28 14 86, www.imec.be
VITO, Annick Vanhulsel,
[email protected], tel 014 33 56 19, www.vito.be
www.minatuse.org
Nanotechnologieën ten dienste van de KMO’s Oktober 2006 F. Monfort-Windels Sirris
Welkom in de nanowereld, een fascinerende wereld van zelfreinigende oppervlakken of hydrofoben, rood goud, diodes die wit licht met hoog rendement uitstralen of materialen met een uitzonderlijke hardheid maar die lichter zijn dan staal. Vanuit de laboratoria vinden nieuwe technologieën thans hun toepassing in grote industriële sectoren. Merkwaardig is wel dat de transfer naar de KMO’s nog zo gering is. Misschien ligt dit aan de communicatie? Experts hebben in het kader van het Minatuse-programma een reeks van 13 artikels geschreven die een overzicht schetsen van de huidige toepassingen van nanotechnologieën.
« Nano » zei u toch ? Het bedrijfsleven, de onderzoekers, en zelfs het grote publiek, iedereen wordt de laatste jaren meegetrokken in de nanohype. Nano is echt een soort toverwoord geworden. Maar waarover gaat het precies? Het effect van nanometer-schaalstructuren (1 nanometer = 1 nm = 10-9 m, of een duizendste van een micron) op materiaaleigenschappen is al sinds lange tijd bekend. Zo worden bijvoorbeeld de mechanische eigenschappen van nylonvezels (diameter 5 µm) hoofdzakelijk bepaald door supramoleculaire structuren zoals nanokristallieten (5 nm) en –vezeltjes (50 nm). We weten dat materialen op deze schaal nieuwe eigenschappen en functies vertonen die al tot vernieuwende toepassingen geleid hebben. Waarom staan nanotechnologieën dan sinds eind jaren ’90 zoveel in de belangstelling van de scheikundige en de industriële wereld? De aanzet hiertoe is waarschijnlijk de ontwikkeling van een microscoop met atomaire resolutie (AFM – Atomic Force Microscopy) die toelaat tot in het hart van de nanowereld te kijken. Aan bod komen ook tools waarmee de materialen bijna op atoomniveau kunnen worden verwerkt : nanopincet, epitaxie, lithografie ...
© Sirris
pagina 7/79
De mogelijkheid om basiselementen op nanoschaal te synthetiseren met een nauwkeurige controle van de dimensies, en ze dan tot grotere structuren samen te voegen zal een revolutie teweegbrengen in hele industriële sectoren.
Wat is nanotechnologie ? De term « nanotechnologie » omvat alle activiteiten van creatie, fabricatie en gebruik van structuren kleiner dan 100 nanometer. Het aanwenden van zulke structuren vereist de ontwikkeling van specifieke materialen die zeer uiteenlopend kunnen zijn afhankelijk van de toepassing. Men kan ze volgens grootte rangschikken. NANO-0 D: Aggregaten, nanodeeltjes, qauntumkristallen, nanokristallen, nanofases, ultrafijne poeders … NANO-1 D : Nanotubes, nanovezeltjes … NANO-2 D: Dunne lagen, sub-micron bekledingen en filmen met een nanostructuur, nanopoeders ... NANO-3 D: Polykristallen met sub-micron korrels, materialen met een nanostructuur, dikke bekledingen en filmen met een nanostructuur, vaste stoffen met een nanoorganisatie, nanoceramiek, nanocomposieten …
© Sirris
pagina 8/79
Deze basiselementen kunnen ook gebruikt worden voor de bouw van micro- en nanosystemen (MEMS, NEMS): dit zijn intelligente, multifunctionele en geminiaturiseerde systemen die detectie-, activatie- en behandelingsfuncties combineren. Zo zijn gasdetectoren voorzien van gevoelige filmen die ultradun zijn of een nanostructuur hebben.
Dunne hybride organisch-anorganische coatings De jonge start-up Nanoxid sprl uit Louvain-la-Neuve ontwikkelt en commercialiseert hybride organisch-anorganische lakken gebaseerd op nanotechnologieën en solgeltechnologie. Doel is om het basismateriaal kenmerken te verlenen die de functionaliteit en het uitzicht van het eindproduct verbeteren. Deze producten worden met name gebruikt voor huishoudelektro. De Nanoxidproducten maken metalen oppervlakken zoals inox of titaan niet alleen vrijwel ongevoelig voor vingerafdrukken maar maken het oppervlak ook harder en beter bestand tegen vlekken veroorzaakt door voedsel. De Nanoxid-lak combineert de hardheid en de transparantie van glas met de voordelen van organische lakken zonder de techniek voor het aanbrengen te veranderen. Er kunnen transparante en ongevoelige lagen worden gecreëerd waarbij de lool & feel van metaal behouden blijft. De lak kan in bijna alle kleuren worden geleverd, met blinkende of matte afwerking.
Alle keukens met titanium-look worden vandaag exclusief behandeld met een « easy-to-clean »product van Nanoxid, een jonge start-up uit Louvain-la-Neuve
Bron : Nanoxid P. Fiasse CeRDT
© Sirris
pagina 9/79
Waarom nanomaterialen? Het succes van nanomaterialen berust op het feit dat de eigenschappen van een materiaal sterk wijzigen als men ze van ‘bulk’ toestand omzet naar nanometerdimensies. De nieuwe, vaak ongekende eigenschappen die zo ontstaan maken de weg vrij voor belangrijke innovaties, en leiden soms zelfs tot technologische revoluties. Een structurering op nanometerschaal laat toe de performantie te verbeteren dankzij verschillende effecten: vermindering van de grootte van onderdelen, vergroting van werkzame oppervlakken en grensvlakken, versterking van de wisselwerkingen tussen materialen,… Vaak zullen toepassingen gebruik maken van een combinatie van zulke effecten. Effecten van schaalgrootte Volgens de definitie van een nano-object, zie hierboven, heeft zo’n object minstens één afmeting kleiner dan 100 nm. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk de slijtageweerstand van transparante plastics te verbeteren, zonder hun optische eigenschappen te wijzigen, door onzichtbare nanopartikels toe te voegen. Een andere belangrijke toepassing: nanodeeltjes samengevoegd op een oppervlak kunnen een functionele structuur vormen die dat oppervlak water- en vuilafstotend maakt en een zelfreinigende textuur meegeeft. Effecten van oppervlak en grensvlak Nanomaterialen worden gekenmerkt door hun eigenschap oppervlakken te vergroten en/of grensvlakken te vermenigvuldigen. Voor een deeltje van 3 nm groot kan het aandeel oppervlakteatomen 50% bedragen. Dit resulteert in een extreem hoge reactiviteit, een aanzienlijke oppervlakte-energie en de mogelijkheid tot rechtstreekse wisselwerking tussen de belangrijkste onderdelen. Zo vertonen nanokristallijne metalen een verhoogde hardheid door hun grote dichtheid aan microdefecten en dislocaties. Ander voorbeeld: de bijzonder hoge oppervlakte/volume verhouding van nanodeeltjes laat toe om katalysatoren te creëren die meer materie kunnen absorberen en die materie sneller kunnen laten chemisch reageren, wat bijvoorbeeld van nut kan zijn voor katalytische uitlaatpijpen van auto’s. Wijziging van elektronische eigenschappen Bij dimensies kleiner dan 50 nm gelden de quantumwetten van de fysica boven die van de mechanica. De kleine dimensies van elementaire nanovoorwerpen leidt tot elektronische, magnetische, en optische eigenschappen die enorm kunnen verschillen van de eigenschappen van hetzelfde materiaal in bulk. De elektronische structuur van het materiaal wordt gewijzigd: dit kan leiden tot tunneleffecten en andere quantumeigenschappen. Zo wordt goud, normaal geel van kleur, rood als het de dimensie van een nanodeeltje heeft. Zo kunnen ook lichtgevende diodes (LED of Light Emitting Diode), gebaseerd op het gebruik van nanofosfor, een wit licht met hoog rendement uitstralen. Dit laat toe hun toepassingsgebied tot huishoudelijke verlichting uit te breiden.
© Sirris
pagina 10/79
Versterking van wisselwerkingen Wanneer nanodeeltjes vermengd worden, is die vermenging typisch intenser, wat wisselwerkingen tussen de deeltjes versterkt. Op die manier kunnen we bijzondere eigenschappen verkrijgen door het koppelen op nanometerschaal van verschillende materialen. Deze verschijnselen - zoals de ‘reuze magnetische weerstand’ - ligt aan de basis van een nieuw soort elektronica, de spintronica, waarvan men een belangrijke impact verwacht op de informatie- en communicatietechnologie. Op het gebied van de optica laat een structurering op nanoschaal toe om materialen met een lage index te verkrijgen, die weerspiegeling op het lucht/glas grensvlak kunnen voorkomen wanneer ze gedeponeerd worden in de vorm van een ultradunne film op glas. Dit principe wordt gebruikt om antireflecterende vensters te maken. Dit zijn maar enkele voorbeelden ter illustratie van de impact van materialen op nanoschaal. Deze impact, die heel verscheiden van aard kan zijn, ligt aan de basis van een waaier van toepassingen waarin nanomaterialen zullen worden geïmplementeerd. Binnen 10 tot 15 jaar zal het economische belang van deze materialen enorm zijn en zal ze rechtstreeks of onrechtstreeks alle industriële sectoren raken.
Innovatieve toepassingen, maar er zijn risico’s … Er wordt wereldwijd heel veel onderzoek verricht naar nanotechnologieën en er worden grote budgetten voor uitgetrokken. Gedurende enkele jaren waren de werkzaamheden en de publicaties op het domein van nanotechnologieën geconcentreerd op de wetenschappelijke aspecten, maar vandaag ligt de nadruk op de technologie en het commercialiseren van producten. De « nanowereld » biedt een indrukwekkend economisch potentieel. Toepassingen vinden ingang op het domein van de automobiel, lucht- en ruimtevaart, elektronica, farmaceutica en biotechnologie, energie en milieu. In een reeks artikels zal de stand van zaken worden opgemaakt van de realisaties in enkele van deze sectoren. Er worden echter steeds meer vragen gesteld bij de potentieel schadelijke effecten van nanomaterialen, in het bijzonder als gevolg van de grootte van de deeltjes. In een ander artikel zal een overzicht worden gegeven van de potentiële impact op de gezondheid van de mens en op het milieu.
© Sirris
pagina 11/79
© Sirris
pagina 12/79
« Koolstof-nanobuisjes » zegt u? November 2006 Ch. Bruynseraede IMEC
Koolstof-nanobuisjes zijn helemaal in de mode: sinds een tiental jaren veroorzaken deze macromoleculen een echte hype bij wetenschappers, ingenieurs en zelfs bij bedrijven. Waarover gaat het en waarom heerst er zoveel opwinding rond deze nieuwe materialen? Nanotechnologie staat vandaag hoog op de agenda van de onderzoekswereld. Deze nieuwe discipline wordt beoefend door wetenschappers uit verschillende onderzoeksdomeinen met één gemeenschappelijk doel: structuren bouwen die in minstens één dimensie kleiner zijn dan 100 nanometer (1 nanometer = 1nm = 1 miljoenste van een millimeter). De enorme interesse voor nanostructuren vloeit voort uit de verwachting dat deze structuren superieure eigenschappen zullen vertonen. De bundeling aan onderzoeks-inspanningen heeft geleid tot de ontwikkeling van fascinerende nieuwe materialen – zoals ‘nanobuizen’. Vele malen sterker dan staal en in staat om metalen en halfgeleiders in elektronica te vervangen, wordt verwacht dat koolstof-nanobuisjes de deur zullen openen naar een hele reeks nieuwe toepassingen.
Wat zijn koolstof-nanobuisjes ? Nanobuisjes zijn structuren die grotendeels samengesteld zijn uit koolstof. Zuiver koolstof komt in de natuur in twee vormen voor: als diamant of als grafiet. Diamant is zeer hard en kostbaar terwijl grafiet zacht is en als smeermiddel wordt gebruikt. Het verschil tussen diamant en grafiet zit in de stapeling van hun koolstofatomen. Diamant heeft een dichte stapeling in drie dimensies, grafiet daarentegen bestaat uit opeengestapelde vlakken waarin de koolstofatomen gerangschikt zijn volgens regelmatige zeshoeken, een beetje vergelijkbaar met stukjes kippengaas die op elkaar gestapeld zijn. Een koolstof-nanobuisje bekom je dan door één grafietlaag op te rollen tot een kokertje met een diameter van slechts enkele nanometer. Bovendien kan men de buizen sluiten door enkele van de zeshoeken in de grafietlagen door vijfhoeken te vervangen: de vlakke grafietlaag krult dan op en sluit zich.
Wat maakt deze nanobuisjes zo speciaal? Koolstof-nanobuisjes hebben extreem kleine interne diameters – van 0.4 tot 5 nmmaar kunnen wel centimeters lang zijn. Het zijn dus structuren die in één richting moleculair klein zijn en in de andere richting zichtbaar zijn met het blote oog. Nanobuisjes vertalen de unieke eigenschappen van moleculair koolstof tot op macroscopische schaal, wat leidt tot een hele reeks nuttige fenomenen. Qua mechanische eigenschappen behoren nanobuisjes tot de sterkste materialen gekend in de natuur. Een nanobuis is honderd maal sterker dan staal, is even hard als diamant en is ook nog eens enorm buigzaam. Het heeft deze buitengewone eigenschappen vooral te danken aan de sterke binding tussen zijn koolstofatomen. © Sirris
pagina 13/79
Deze binding ligt ook aan de basis van de superieure thermische en elektrische eigenschappen van nanobuisjes: ze zijn thermisch stabiel tot 2800 ºC, hebben een elektrische geleidbaarheid die twee maal zo groot is als die van diamant, en kunnen een 1000 maal grotere stroom transporteren dan koperdraad zonder door te branden. Bovendien hangen de elektrische eigenschappen sterk af van de diameter en lengte van de buisjes, evenals van de manier waarop de grafietlagen opgerold zijn : dit bepaalt of een nanotube een metaal of een halfgeleider is. Zo’n variabele eigenschappen zijn uniek en voor elektronische toepassingen uiterst interessant.
Nanocyl
Toepassingen van koolstof-nanobuizen Koolstof-nanobuisjes vertonen duidelijk een aantal nieuwe eigenschappen die hen aantrekkelijk maakt voor integratie in allerlei materialen en componenten. Enkele van de voornaamste toepassingen zijn :
Composietmaterialen Omdat nanobuisjes zeer buigzaam zijn terwijl ze toch een zeer hoge treksterkte hebben, vormen ze misschien wel de ideale koolstofvezels om te gebruiken in composietmaterialen. De meeste van deze composieten worden nu geproduceerd door aan koolstof-, glas- of natuurlijke vezels kunststofharsen toe te voegen. Sommige van die composieten zijn even sterk als metaal, en bovendien een stuk lichter. Vandaag zijn er echter ook al bedrijven die composieten opbouwen uit strengen van nanobuisjes met daaromheen een hars van kunststof. Die composieten worden dan veel plooibaarder, maar blijven toch even sterk.
Nano-electronica De miniaturisatie van de componenten op computerchips zorgt ervoor dat de stroombanen op deze chips ook kleiner moet worden. Hoe kan je echter nanometer-dunne draden maken die stroom geleiden, niet opwarmen en niet breken na verloop van tijd? Mogelijk bieden nanobuisjes, die geleiders of halfgeleiders kunnen zijn afhankelijk van hun structuur, hier een oplossing. Bovendien zijn deze buisjes door de sterke koolstofbinding thermisch, mechanisch en chemisch erg stabiel.
© Sirris
pagina 14/79
Maar nanobuisjes zijn niet alleen een ideale ‘ bekabeling ‘, je kan er ook elektronische schakelingen mee maken. In transistoren vloeit elektrische stroom tussen twee contactpunten door een halfgeleider. In de transistoren van vandaag bestaat die halfgeleider uit silicium, in de nano-transistoren van morgen is dat mogelijk een nanobuisje. Zulke nano-schakelaars zouden gemakkelijk honderd keer sneller werken dan de snelste silicium-transistoren, zonder meer vermogen te verbruiken.
Vlakke beeldschermen Wanneer nanobuisjes rechtop op een oppervlak staan en onder elektrische spanning gezet worden, zenden ze vanuit hun tip met een enorme snelheid elektronen uit, die gemakkelijk de fosfor op een beeldscherm kunnen doen oplichten. Omdat die tip so scherp is, ‘emitteren’ nanobuizen elektronen op een lagere spanning dan andere materialen. Hun sterke koolstofbindingen laten daarenboven een langere werking toe zonder schade. Deze eigenschappen hebben reeds geleid tot demonstraties van vlakke beeldschermen met een superieure helderheid en een minimaal verbruik in vergelijking met LCD- en plasmaschermen.
Innoverende technologie, met hinderpalen ... De transfer van dergelijke toepassingen van het laboratorium naar de maatschappij vereist echter een verfijning van bestaande productiemethodes om tegen een lage kostprijs industriële hoeveelheden nanobuizen te kunnen vervaardigen met de gewenste eigenschappen en zuiverheid. Typisch verloopt er 10 tot 20 jaar tussen de ontdekking en de grootschalige toepassing van een nieuwe technologie. Koolstof-nanobuisjes zijn ontdekt in 1991. We kunnen de volgende jaren dan ook een spectaculaire vooruitgang in de toepassing van deze moleculaire materialen verwachten voor een hele waaier van bestaande en nieuwe technologieën.
© Sirris
pagina 15/79
Profiel van Nanocyl Nanocyl is één van de belangrijkste producenten van koolstofnanobuizen in Europa. Nanocyl werd opgericht in 2002 met als doel te groeien tot de wereldwijde leider wat de productie van gespecialiseerde en industriële koolstofnanobuizen betreft. Vandaag telt Nanocyl 28 medewerkers en heeft het begin dit jaar een kantoor in de Verenigde Staten geopend. Met haar aanwezigheid in Amerika wil Nanocyl haar activiteiten uitbreiden naar de Verenigde Staten, een markt met bijzonder veel potentieel voor Nanocyl.
Verwerking in laboratorium bij Nanocyl
Nanocyl gebruikt het CCVD-productieproces en kan hierdoor permanent nieuwe producten met een bijzondere toegevoegde waarde ontwikkelen, zoals het recentelijk gelanceerde NC9000 gamma, een hoge concentratie-mix van polymeren. De onderneming ontwikkelt gespecialiseerde nanobuisjes voor de automobielsector, evenals voor vooraanstaande bedrijven actief in de productie van kunststoffen en in het vervaardigen van uitrusting en materiaal voor halfgeleiders. Verder is Nanocyl ook zeer actief betrokken bij een aantal Europese onderzoeksprojecten rond nanotechnologie, zoals de Inteltex en Ambio-projecten. Nanocyl is gebaseerd in Sambreville, België en krijgt in de lente van 2007 de status van een volwaardige industriële speler, met een grotere produtie-éénheid en meer productiecapaciteit.
© Sirris
pagina 16/79
Nanotechnologie en textiel December 2006 K. Van de Voorde - IMEC M. Schaerlaekens en T. De Meyere - Centexbel C. Hertleer - UGent – Studie Eenheid Textielkunde
Inleiding Nanotechnologie is een opkomende interdisciplinaire technologie die als een nieuwe industriële revolutie wordt aanzien. De fundamenten van nanotechnologie liggen in het feit dat de eigenschappen van materialen drastisch veranderen wanneer hun afmetingen worden gereduceerd tot nanometerschaal. Ook de textielwereld heeft de mogelijkheden van nanotechnologie ontdekt. Textielexperten doen bijvoorbeeld verwoede pogingen om de zelfreinigende eigenschappen van het blad van de lotusbloem via nanotechnologie te evenaren in textieltoepassingen. Zulke toepassingen spreken tot de verbeelding.
Definitie van nanotechnologie voor textiel Intelligent textiel en nanotechnologie zijn buzzwoorden die dikwijls gebruikt worden zonder dat de geclaimde eigenschappen rechtstreeks iets te maken hebben met de gebruikte technologie. Deze onduidelijke situatie kan niet blijven duren. Daarom is men in de textielwereld begonnen met de ontwikkeling van een soort kwaliteitslabel, waarin een textielmateriaal slechts het label nanotechnologie krijgt als (a) de nanodeeltjes of structuren systematisch geordend zijn om te resulteren in een nieuwe functie, (b) de nanotechnologie een aantoonbare verbeterde functionaliteit demonstreert voor de gebruiker met een verwaarloosbaar effect op de textieleigenschappen, en (c) de nanodeeltjes bestand zijn tegen reinigingsprocessen en gezondheid en comfort niet negatief beïnvloeden. Deze label kan een eerste stap zijn naar een zekere standaardisatie van de nanotechnologieën.
Integratie van nanopartikels in textiel Nanopartikels kunnen op 2 niveaus in het textielproductieproces geïntroduceerd worden: in de garenextrusiesmelt en in de coating. Naargelang het gebruikte type nanopartikel dient het productieproces wel aangepast te worden. Een niet te onderschatten taak.
Gebruik van nanopartikels in het smeltextrusie proces van garens geeft aanleiding tot intrinsieke functionaliteiten Dankzij de kleine afmetingen van nanopartikels kan men deze mengen in het polymeer vóór de extrusie. Op deze manier kan men nieuwe functionaliteiten inbrengen. We hebben het hier vooral over nanopartikels op basis van klei, metaaloxides of koolstof-nanobuisjes.
© Sirris
pagina 17/79
Door op nanoschaal het oppervlak van het blad van de lotusbloem na te bootsen, kan men textiel zelfreinigend maken (Bron :
[email protected])
Klei-nanopartikels Klei is opgebouwd uit duizenden laagjes met een dikte van slechts 1 nanometer. Het toevoegen van een minimale hoeveelheid klei (ong. 2-5%) kan al een significante impact hebben op de eigenschappen. In de literatuur worden aan toepassingen die gebaseerd zijn op nanocomposieten met kleipartikels heel wat eigenschappen toegekend die ook potentieel interessant zijn voor de textielsector. Er werd dan ook een ruime screening uitgevoerd naar eigenschappen zoals verbetering van mechanische eigenschappen, krimpreductie, vlamvertragende capaciteiten, UV-stabiliteit, geleidbaarheid, slijtvastheid, aanverfbaarheid, aanvoelen en kruipreductie. Uit deze screening blijkt duidelijk dat resultaten die in aanverwante sectoren behaald worden moeilijk als maatstaf kunnen dienen voor textieltoepassingen. Dit geldt zowel voor het verwerkingsproces als voor de producteigenschappen. Hoewel de toevoeging van kleinanopartikels resulteert in een duidelijke toename van de thermostabiliteit van de grondstoffen, wordt in praktijktesten op textielproducten onvoldoende verschil in brandgedrag waargenomen. Bovendien is de impact van de klei op de mechanische eigenschappen, krimp- en kruipgedrag van de bekomen garens gering. Een belangrijke verbetering kon evenwel worden gerealiseerd in het antistatisch gedrag en in de aanverfbaarheid. Er is wel een duidelijk negatieve impact van kleinanopartikels op de UV-stabiliteit.
Metaaloxide-nanopartikels Metaaloxide-nanopartikels zoals TiO2, Al2O3, ZnO worden toegevoegd omwille van hun gunstige elektrische geleidbaarheid, antibacteriële werking en UV-absorptieëigenschappen.
Koolstof-nanobuisjes In de toekomst zal ook meer onderzoek verricht worden naar het gebruik van koolstof-nanobuisjes (CNT, zie het vorige artikel in deze reeks). Ze worden aanzien als een van de meest veelzijdige bouwblokken. De hogere sterkte en hogere elektrische geleidbaarheid die ze aan de garens geven maken veel nieuwe toepassingen mogelijk. Nochtans is het onderzoek hiernaar tot op heden beperkt omwille van de hoge prijs van de CNT en de zwarte kleur die ze aan de garens geven.
© Sirris
pagina 18/79
Gebruik van nanopartikels in coatings van textiel voor de opbouw van oppervlakte functionaliteiten
Nanotechnologie kan textiel een antibacteriële werking geven en aldus bijdragen tot de beteugeling van infecties in ziekenhuizen (Bron : www.hohenstein.de)
SiO2, Al2O3, en ZnO zijn enkele voorbeelden van nanodeeltjes die aan coatings kunnen worden toegevoegd en waar op heden vrij veel onderzoek wordt op verricht. Naargelang de gebruikte additieven kunnen effecten als verbeterde brandwerendheid, hogere treksterkte en/of een betere weerstand tegen veroudering gerealiseerd worden. Nanopartikels zijn alom geprezen omwille van het feit dat met een lage concentratie aan additief grote effecten kunnen bekomen worden. Hiervoor dienen de additieven wel in nanovorm te blijven. Doordat nanodeeltjes echter een grote neiging hebben om te agglomereren, is het niet altijd voor de hand liggend om een eindcoating met optimaal verdeelde nano-additieven te realiseren. Het inbedden van de nanodeeltjes in een coating is o.m. noodzakelijk om te vermijden dat deze nanopartikels later uit het afgewerkte product vrijkomen, wat van belang is binnen het kader van gezondheidsaspecten.
© Sirris
pagina 19/79
Textiel met geïntegreerde instrumenten (universiteit van Pisa) bestaat uit een groot aantal piëzoresistieve sensoren die rechtstreeks worden gedrukt op textiel in lycra en maakt het mogelijk om algemene informatie over armbewegingen te registreren. Een inertieel/magnetisch systeem voor bewegingsregistratie (CEA/LET) maakt het bovendien mogelijk om een kwantitatieve waarde toe te kennen aan de armbewegingen.
Ook hier zal in de toekomst het gebruik van CNTs, onderzocht worden, waarbij dan vooral de elektrische geleiding wordt geviseerd.
Mogelijke toepassingen Er werden reeds een aantal interessante eigenschappen opgesomd bij de bespreking van de productieprocessen: verbeterde elektrische geleidbaarheid, antibacteriële werking, anti-UV, vlamvertragend m.a.w een verhoogde brandwerendheid, anti-corrosief, grotere treksterkte en een hogere weerstand tegen veroudering. Men kan deze eigenschappen koppelen aan heel wat interessante toepassingen. Enkele voorbeelden :
Nanodeeltjes met antibacteriële werking zijn duidelijk gericht op de bescherming van de gezondheid en medische toepassingen. Sommige specifieke oxides hebben beschermende eigenschappen tegen bacteriën wanneer ze in coatings worden gebruikt. Zoals reeds gesteld mogen de deeltjes echter niet loskomen van hun textieldrager want dan bekomt men juist het tegenovergestelde, de deeltjes worden dan een gevaar voor de gezondheid.
Het gebruik van nanodeeltjes die UV-bestendigheid realiseren en infrarood licht (IR) weerkaatsen is interessant voor veel textieltoepassingen waarin comfort van belang is, zoals in sport, maar ook in de bouwsector, bij voorbeeld voor tenten.
Nanodeeltjes met vlamvertragende werking kunnen levensreddend zijn in de kledij voor hulpdiensten. Brandweerpakken worden veiliger en beschermkledij wordt sterker.
Het is duidelijk dat de toepassingen voor textielproducten waarin nanodeeltjes worden gebruikt de komende jaren een explosieve groei zullen kennen.
© Sirris
pagina 20/79
Nanotechnologie in de auto: dat loopt op wieltjes! Januari 2007 F. Monfort-Windels Sirris
De automobielindustrie is een belangrijke sector voor nanotechnologi : in haar streven naar lagere prijzen én verbeterde technologische prestaties is ze een stuwende kracht. Vertrekkende van een wereldwijde auto-nanotechnologiemarkt van 932 miljoen Euro in 2004, ramen Frost & Sullivan de grootte van die markt in 2015 op 5.43 miljard Euro. De marktvraag betreft hier produktverbeteringen zoals nieuwe oppervlakte-bekledingen, evenals innovaties met een sterke industriële impact zoals sensoren of nieuwe energiebronnen. Er zijn nog maar weinig produkten op basis van nanotechnologie reeds beschikbaar op een echt commerciële schaal. Juist door dit gebrek aan schaalgrootte blijven de kosten hoog in vergelijking met meer conventionele oplossingen. Een prijsverlaging zou nieuwe deuren kunnen openen.
Bron: Frost & Sullivan
Het is onmogelijk een complete lijst op te stellen van alle voertuig-onderdelen die voordeel putten uit de inbreng van nanotechnologie. We nemen er hier slechts enkele onder de loep.
Banden De eerste toepassing – zowel historisch als in volume – is deze van koolstofzwartsel in banden. Deze is verschenen aan het begin van de jaren 80 en vertegenwoordigt vandaag 95% van de markt van nanotechnologie in auto’s. In volume zijn er de komende jaren geen grote veranderingen te verwachten. Meer recent heeft onderzoek ertoe geleid een deel van het koolstofzwartsel te vervangen door silicium-nanodeeltjes. Deze oplossing vermindert de rolweerstand en bijgevolg het brandstofverbruik. © Sirris
pagina 21/79
Koolstofzwartsel - Cabot Corporation
Onderstel en koetswerk De markt in lichte structuren is voorbestemd om op termijn in waarde de bandenmarkt voorbij te steken. Het lichter maken van voertuigen blijft een noodzaak met het oog op een vermindering van brandstofverbruik en uitstoot van schadelijke gassen. Nanotechnologie zal leiden tot lichtere én hardere materialen, hetzij door de introductie van nanodeeltjes, hetzij door de beheersing van de materiaalstructuur op nanoschaal. Voor dezelfde toepassing wordt het dan mogelijk dezelfde mechanische weerstand te bereiken met minder materiaal en dus minder gewicht, of met een lichter materiaal waarvan de performantie verbeterd is. Versterkte polymeren van klei-nanodeeltjes spelen hierbij een essentiële rol. Een minuscule hoeveelheid van deze deeltjes (2-5%) volstaat om een duidelijke verbetering te verkrijgen van eigenschappen zoals sterkte, elasticiteit en vormvastheid. Ook meer specifieke eigenschappen zoals vuurbestendigheid van interne onderdelen of weerstand van externe onderdelen tegen wisselvallige weersomstandigheden kunnen hiermee gebaat zijn. General Motors heeft in 2002 de weg bereid met een 8% lichtere treeplank voor zijn modellen Safari en Astro. De fabrikant volgt ook met andere toepassingen, zoals de vloer van de laadruimte van de Hummer H2 in polypropyleen en nanovulmiddelen. Süd-Chemie heeft een ventilatierooster in een legering met nanokomposieten ontwikkeld voor VW en Audi. Andere onderdelen liggen ter studie: deurstijlen, dashboards, air bag deksels, luchtfilters…
© Sirris
pagina 22/79
Nano-composieten voor de laadvloer van de Hummer H2 2005 - General Motors
Plastic koetswerkonderdelen moeten op hetzelfde moment als metalen onderdelen passeren doorheen de elektrostatische verflijnen, en oplossingen om polymeren geleidend te maken door het toevoegen van koolstof-nanobuisjes worden onderzocht. We willen ook meegeven dat sedert enkele jaren de brandstoftanks van talrijke voertuigen beschermd worden tegen excessieve elektrostatische ladingen door het gebruik van nylon-vezels met geïncorporeerde koolstof-nanobuisjes. Magnesium is van groot belang voor de auto-industrie. Het is 30% lichter dan aluminium en 80% lichter dan staal. Het gebruik van dit materiaal groeit want het biedt een uitstekende verhouding tussen sterkte en gewicht. Het heeft echter twee zwakke punten: zijn bestendigheid tegen hoge temperaturen en zijn gevoeligheid voor corrosie. Een beheersing van de structuur van deze legeringen op nanometerschaal en het gebruik maken van nanokomposiet-bekledingen zouden deze problemen kunnen oplossen.
Motoren en overbrengingen Het doel hier is een verbetering van het thermisch rendement en de mechanische performantie van systemen terwijl tegelijkertijd de uitstoot van schadelijke gassen (en altijd natuurlijk ook de kosten) verminderd wordt. Nanomaterialen zullen aanwezig zijn in onderdelen van motoren, bijvoorbeeld als nano-keramische bekleding die weerstand biedt aan slijtage en aan de temperatuur in cylinders, zuigers, kogellagers… Nano-kristallijne materialen die zich kenmerken door een aanzienlijke verhouding korrelgrenzen/aantal korrels bieden een groter mechanisch en thermisch weerstandsvermogen. Nano-gestruktureerde (zirkon, alumina) of nano-versterkte (alumina + siliciumnitride) keramische materialen zijn reeds uitgebreid bestudeerd voor de beschermende bekleding van motoren. Ze zijn meer rekbaar en vervormbaar, maar blijven hard en resistent. Nano-kristallijne keramisch siliciumnitride (Si3N4) en siliciumcarbide (SiC) worden reeds gebruikt voor kogellagers en klepveren.
© Sirris
pagina 23/79
Keramische nano-poeders van keramiek voor efficiëntere castings - Sirris
Nanopoeders op basis van wolfraam en titaanboride zijn hard, slijtagevast en erosievast en kunnen de levensduur van ontstekingsbougies verbeteren en een completere verbranding mogelijk maken. Nanomaterialen doen ook hun opwachting in smeermiddelen, koelmiddelen en ophangingsvloeistoffen. Smeermiddelen op basis van nanobolletjes verminderen op een efficiëntere manier de wrijving tussen bewegende onderdelen en brengen zo slijtage tot een minimum terug; ze verbeteren de algemene performantie van systemen en verminderen de onderhoudskosten.
Synthetische smeermiddelen met anorganische nanosferen - Apnano Materials
Veel onderzoekswerk is gericht op het ontwikkelen van koelvloeistoffen door het oplossen van nanodeeltjes in een vloeibare faze. Omdat de geleidbaarheid van de vloeistof gekoppeld is aan de oppervlakte/volume verhouding van de deeltjes, wordt het warmtetransport door middel van nano-vloeistoffen dus efficiënter. Bovendien blijven kleine deeltjes gemakkelijker in oplossing dan grote.
© Sirris
pagina 24/79
Verven en bekledingen Nanomaterialen zijn vrij vlug geadopteerd in de markt van verven en bekledingen. Het is dan ook dit geheel van toepassingen dat het meeste waarde zal blijven genereren voor nano-materialen in de volgende 10 jaar. De eerste toepassing is krasbestendige verf. Eén enkele laag verf met nanomaterialen is even efficiënt als drie lagen met een klassieke coating.
Links : koetswerk met klassieke verf; rechts : krasbestendige verf met nano-deeltjes (Nanobyk) – Byk-Chemie
Het vooruitzicht voor nanomaterialen is aantrekkelijk in het domein van de functionele oppervlakken, zoals oppervlakten die zelfreinigend zijn door het lotuseffect. We zullen nano-materialen tegenkomen voor de verbetering van kwaliteit en gebruikscomfort, in bekledingen met sensor-functies, bekledingen die antistatisch, isotherm, anti-bacterieel, waterafstotend of -aantrekkend kunnen zijn, in elektrochrome of thermochrome beglazing, in anti-reflecterende voorruiten etc.
Oppervlakten die waterafstotend gemaakt zijn - BASF
© Sirris
pagina 25/79
De nano-struktuur van vlindervleugels : een model voor koetswerkbeschildering met visuele effekten BASF
Elektrische en elektronische uitrusting In een auto wordt er veelvuldig gebruik gemaakt van sensoren en geminiaturiseerde systemen (MEMS). Twee toepassingen zijn welgekend: de accelerometer in airbags en de druksensor in de luchtinlaat. Deze markt zal aangestuurd worden door nanotechnologie, zelfs al zijn vandaag deze toestellen nog duur. De sensoren en elektronische toestellen laten een betere mens/machine interface toe, een verbetering van draadloze technologieën, een ergonomisch aanpassingsvermogen (verstelbare zetels), een controle van de bandenspanning…Deze markt staat nog in zijn kinderschoenen. Men bestudeert ook systemen voor nachtvisie, systemen voor controle van de luchtkwaliteit in woningen, detectoren van uitlaatgassen, interactieve beglazing… NEMS (nano-mechanische systemen) zullen naar verwachting pas hun opwachting maken vanaf 2015. Nieuwe LED diodes op basis van nanomaterialen (quantum dots) luiden een revolutie in wagenverlichting in. Toestelfabrikanten zijn vooral geïnteresseerd in de energiebesparing, stevigheid, levensduur, plaatswinst en de mogelijkheid voor een aantrekkelijk design geboden door deze producten.
Energie Nanotechnologie zal ook oplossingen aanreiken voor de problematiek van energie-opwekking en –opslag : brandstofcellen, opslag van waterstof, batterijen, katalysatoren, brandstof-additieven…Het vooruitzicht op een vermindering van het verbruik van fossiele energie en van de uitstoot van schadelijke gassen verklaart de intense R&D-activiteit in dit domein. De voornaamste aanwending hier, vanaf 2008, zijn katalysatoren en elektrodes voor brandstofcellen.
© Sirris
pagina 26/79
Kubieke nanodeeltjes voor waterstof-opslag - BASF
Aangewend in combinatie met chemisch reactieve nanomaterialen kan de hoeveelheid kostbare metalen - zoals Platinum - in katalysatoren verminderd worden. Deze nanomaterialen zijn wel 679 keer goedkoper! Bovendien zijn ze werkzaam in een groot temperatuurgebied (-4 tot 500 °C), wat hen efficiënt maakt onder alle weersomstandigheden. Klassieke katalysatoren daarentegen werken slechts echt efficiënt bij 125 °C, en hebben dus vooral bij koud weer een lange tijd nodig om hun werkingstemperatuur te bereiken. Het inbrengen van brandstof-additieven zet verbrandingsreacties in gang, verhoogt het rendement van deze reacties en vermindert hun schadelijke uitstoot. Nanodeeltjes , die zeer reactief zijn, blijven in oplossing daar waar klassieke deeltjes bezinken: ze zijn dus meer efficiënt.
De toekomst Dankzij het snel toenemende nanotechnologie-onderzoek kunnen we nieuwe produkten en toepassingen verwachten in de komende jaren, op een weliswaar onzeker introductietempo. De investeringskosten zijn immers hoog, het grote publiek is nog niet echt overtuigd en de gevaren van nanomaterialen voor gezondheid en milieu zijn nog niet duidelijk. De implementatie van nanotechnologie in de auto wordt dan ook enigszins afgeremd in afwachting van de resultaten van lopend onderzoek.
© Sirris
pagina 27/79
© Sirris
pagina 28/79
Met nanotechnologie naar een milieuvriendelijke, duurzame maatschappij Februari 2007 A. Buekenhoudt, L. Bastiaens en L. Diels VITO
Nanotechnologie werd oorspronkelijk gestuurd door de groeiende nood aan optische elementen en computeronderdelen op nano-schaal (< 100 nm). Maar nanotechnologie heeft ook een enorm potentieel voor de aanpak van milieuproblemen. De milieusector wordt momenteel dan ook overspoeld door een golf van nieuwe ideeën die uitgaan van nanotechnologieën. Nanotechnologie kan hierbij een rol spelen op drie vlakken: Minimaliseren van grondstofverbruik, gekoppeld aan afvalpreventie Ontwikkeling van sensoren voor de controle van het milieu, de detectie van vervuiling Remediëren van bestaande vervuiling van water, lucht en bodem
Grondstoffen zijn de ruggengraat van onze economie. Het huidige grondstofverbruik is echter van die orde dat de kans op een eerlijk aandeel voor toekomstige generaties en voor ontwikkelingslanden in gevaar komt. Bovendien leiden sommige van de huidige technologieën voor de aanwending van onze grondstoffen tot een serieuze impact op het milieu, een impact die de draagkracht van het milieu dreigt te overschrijden. Denk maar aan de opwarming van de aarde en de CO2 problematiek. Nanotechnologie biedt heel wat mogelijkheden tot grondstofbesparing door efficiëntieverbeteringen voor herbruikbare energiebronnen (zoals zonnecellen, brandstofcellen), energieopslag (oplaadbare batterijen, waterstofopslag), mogelijkheden tot gebruik van beter beschikbare materialen (zoals nanogestructureerde metaaloxides als alternatief voor edelmetalen in katalyse). Dit aspect van nanotechnologie wordt uitvoeriger belicht in andere bijdragen in deze rubriek.
Labotesten voor de zuivering van verontreinigd grondwater m.b.v. zero-valente ijzerdeeltjes
© Sirris
pagina 29/79
Het kunnen detecteren van milieuvervuiling is de eerste vereiste om tot remediëring te komen. Momenteel bestaan er reeds heel wat meetmogelijkheden voor verschillende vervuilende componenten. Maar, vooruitgang in de nanotechnologie biedt de mogelijkheid tot meer gevoelige en snellere detectie, met kleinere en mogelijks draagbare apparatuur. Zo wordt momenteel gewerkt aan sensoren bestaande uit dunne filmen van nanokristallijn tin dioxide om heel lage concentraties aan NO2 en CO in de lucht op te meten. Deze sensoren zijn eenvoudig te bedienen en erg goedkoop in vergelijking met de conventionele technieken als gaschromatografie, chemiluminescentie en IR absorptie. Ook vanuit de nanobiotechnologie worden nieuwe erg gevoelige biochemische sensoren ontwikkeld die in staat zijn om een variëteit aan kleine organische contaminanten of toxines te detecteren. De detectie is gebaseerd op moleculaire herkenning of andere biochemische technieken. Echter, de belangrijkste bijdrage tot een milieuvriendelijke en duurzame maatschappij kan nanotechnologie leveren bij de remediëring van bestaande vervuiling van zowel water, lucht als bodem. Vooral de problematiek van veilig, zuiver en goedkoop drinkbaar water, is één van de belangrijkste uitdagingen waar de mensheid voor staat. Daarnaast is met de opwarming van de aarde - vooral een gevolg van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen voor energie en transport - ook de verwijdering van CO2 uit het milieu een wereldwijd acuut probleem geworden. Bodemvervuiling, hoofdzakelijk een gevolg van onze vroegere industriële activiteiten, kan ook verstrekkende gevolgen hebben op de menselijke gezondheid, vooral als het ook het grondwater besmet. De mogelijkheden van nanotechnologie voor waterzuivering en voor bodemsanering worden hier specifiek behandeld.
Nanotechnologie en waterzuivering Waterzuivering en drinkwaterproductie wordt wereldwijd gezien als één van de hoogste prioriteiten. Hoewel water ruimschoots aanwezig is op aarde, is slechts 1 % van het water drinkbaar. 97 % van het water is zeewater en bevat teveel zout. Traditioneel worden in de drinkwaterproductie technieken als sedimentatie, zandfiltratie, en actief kool gebruikt. Deze technieken zijn echter niet in staat om sommige micropolluenten zoals pesticiden, pseudohormonen, geneesmiddelen, cosmetica of humuszuren te verwijderen, en zeker niet om te ontzouten. Hier biedt filtratie op nanoschaal een oplossing. Geschikte filters of membranen bevatten poriën van de ordegrootte van 1 nm, of hebben een dichte structuur zonder poriën die toch waterdoorlatend is. In het eerste geval spreken we over nanofiltratie (NF) en worden kleine opgeloste stoffen en meerwaardige zouten tegengehouden. In het tweede geval spreekt men over omgekeerde (reverse) osmose (RO) en wordt een volledige (dus ook eenwaardige) ontzouting bekomen. In beide gevallen is druk de drijvende kracht in het filtratieproces. De nanomembraanprocessen NF en RO zijn niet nieuw en worden reeds op grote schaal toegepast in de drinkwaterproductie en bij de behandeling van afvalwaters.
© Sirris
pagina 30/79
VITO testinstallatie voor de on-site zuivering van oppervlaktewater m.b.v. RO membranen op pilootschaal
Maar, het is nu reeds duidelijk dat de innovatieve nanotechnologieën kunnen leiden tot een nieuwe generatie nanomembranen met een sterk verhoogde flux, en bijgevolg tot een substantiële daling van de benodigde energie (druk). Dit kan ook leiden tot een spectaculaire daling van de drinkwaterkost, momenteel de bottleneck in de verspreiding van de huidige RO ontzoutingstechnologie. Zo worden momenteel membranen ontwikkeld met koolstof of alumina nanobuisjes (zie ook bijdrage januari). Door een dichte parallelle stapeling van nanobuisjes hebben deze membranen een extra hoog membraanoppervlak en een heel hoge permeabiliteit, gecombineerd met een erg goede mechanische en thermische stabiliteit. Alumina nanobuis-membranen hebben het bijkomend voordeel van een hoge positieve lading zodat gemakkelijk negatief geladen contaminanten als virussen, bacteriën e.d. geadsorbeerd worden. Men verwacht deze membranen binnen ongeveer 10 jaar op de markt.
Momenteel bouwt men bij Ashekelon, Israël, de grootste RO installatie voor zeewater ontzouting ter wereld © Sirris
pagina 31/79
Nanotechnologie en grondwatersanering Eén van de beloftevolle manieren voor de in-situ zuivering van gecontamineerd grondwater is het gebruik van permeabele zero-valente ijzerwanden. Het systeem bestaat uit een sleuf, gevuld met kleine zero-valente ijzerkorrels, die stroomafwaarte van, en verticaal gelegen is op de vervuilingspluim (zie figuur 1). Wanneer het vervuilde grondwater doorheen de wand stroomt, wordt het zerovalent ijzer geoxideerd en worden elektronen getransfereerd naar de contaminanten die hierbij gereduceerd worden tot onschadelijke of minder mobiele stoffen. Vele organische polluenten zoals chloorhoudende solventen en zware metalen en hun verbindingen kunnen op deze manier uit het grondwater verwijderd worden. Het systeem is laag in energie- en onderhoudskosten, en maakt het oppompen van het grondwater of het afgraven van grote hoeveelheden bodem overbodig.
VITO testinstallatie met een zero-valente ijzerwand op pilootschaal
Vandaag worden veelal millimeter en micrometer ijzerkorrels gebruikt. Nanoijzerdeeltjes bieden het voordeel dat ze injecteerbaar zijn en dus eenvoudiger in de bodem kunnen aangebacht worden, ook op grotere diepte. Bij een ijzerwand-constructie met grotere ijzerpartikels is men immers omwille van bouwtechnische redenen beperkt tot een diepte van 15 m. Verder hebben nanodeeltjes een groter specifiek oppervlak, waardoor ze reactiever zijn dan granulair zero-valent ijzer. De afbraak van polluenten gebeurt niet alleen sneller, maar ook een brede gamma aan polluenten kan aangepakt worden (bv. naast gechloreerde alifaten kunnen ook gechloreerde aromaten aangevallen worden).
elektronentransfer proces
Fe0 Æ Fe2+ Æ Fe3+
PCE, TCE,… ZM
ZM
ijzer wordt geoxideerd contaminanten gereduceerd
onschadelijke stoffen
Schematische weergave van een zero-valente ijzerwand op reële schaal © Sirris
pagina 32/79
Dit alles biedt nieuwe perspectieven voor sanering, waarbij een gunstig rendement van de zuivering en de eraan verbonden kosten wordt nagestreefd. Dit heeft bijgedragen tot de snelle evolutie van laboratoriumproeven tot pilootdemonstraties met nanoijzer. Vandaag duiken reeds commerciële toepassingen op grote schaal op.
Nanotechnologie ook een bedreiging voor mens en milieu? Het grote potentieel van nanotechnologie is echter ook gekoppeld aan nieuwe vragen. De unieke eigenschappen van nanodeeltjes leiden zeker tot heel wat technologische mogelijkheden, maar, diezelfde eigenschappen kunnen ook leiden tot nieuwe risico’s voor mens en milieu, indien de nanodeeltjes niet ingekapseld of geïsoleerd zijn. Nanodeeltjes hebben immers een bijzonder hoog specifiek oppervlak, dat bovendien uitzonderlijk reactief is. Zo hebben meerdere studies het verband aangetoond tussen ontstekingen van de luchtwegen en vervuilende deeltjes in de lucht. De specifieke rol van nanodeeltjes, naast die van metalen en endotoxines, in dit proces, is nog niet duidelijk. Ook het effect op het cardiovasculair systeem is onvoldoende gekend. Onze kennis op dit vlak is momenteel zeer ontoereikend. Om deze lacune in te vullen wordt wereldwijd heel wat nieuw onderzoek in deze richting opgestart, gestimuleerd door de overheid. Het is belangrijk hierbij niet enkel de nanodeeltjes ‘as such’ te bekijken, maar een levenscyclusaanpak te hanteren, zodat de milieurisico’s van alle aspecten van nanotechnologie bestudeerd worden.
© Sirris
pagina 33/79
© Sirris
pagina 34/79
Nanotechnologie in duurzame energieproductie Maart 2007 F. Snijkers VITO
De berichtgeving van de laatste tijd liegt er niet om: enerzijds was de honger naar energie in de wereld nog nooit zo groot, anderzijds groeit het bewustzijn dat de manier waarop we vandaag met energie omgaan niet kan blijven duren. Maar wat heeft nanotechnologie dan vandoen met de omvangrijke energiebehoeften van de wereld en de wijze waarop die energie nu geproduceerd en gebruikt wordt? Met nanotechnologie betreden we een opwindend tijdsperk waar het technisch mogelijk wordt om materialen op nanometerschaal te ontwerpen. Het gaat daarbij om structuren die in minstens één dimensie kleiner zijn dan honderd nanometer of één miljoenste van een millimeter. De enorme interesse voor structuren met de afmeting van slechts enkele atomen of moleculen, vloeit voort uit de verwachting dat deze superieure eigenschappen zullen hebben zodat hiermee uitzonderlijke dingen mogelijk zullen zijn. Het bewustzijn groeit gestaag dat nanowetenschap en nanotechnologie een grondige impact kunnen hebben op de energieproductieketen: van het opwekken van energie, de omzetting van de ene naar de andere vorm, opslag, transport tot en met het gebruik ervan. De trend is daarom om opgedrongen en grondstofverslindende energiebronnen, die vaak ook nog eens omgeven zijn met milieuproblematieken, op te geven ten voordele van energiebronnen die in mindere mate grondstoffen verbruiken en uiteindelijk duurzamer blijken. Nanotechnologie biedt in deze heel wat mogelijkheden: van grondstofbesparing door efficiëntieverbeteringen voor herbruikbare energiebronnen, omzetting van zonne-energie in elektriciteit met behulp van zonnecellen, de opslag van energie met behulp van batterijen, het aanmaken van waterstofgas, brandstofcellen voor de omzetting van energie, tot en met het gebruik van beter beschikbare materialen (zoals nanogestructureerde metaaloxides als alternatief voor edelmetalen in katalyse). Er zijn toekomstscenario’s die voorspellen dat een zeer groot deel van de wereldenergievraag gedekt zal worden door duurzame bronnen als zon, wind en biomassa. Om het aandeel van duurzame energie zo hoog mogelijk te maken, moet echter nog de nodige technologie ontwikkeld worden. Dat nanotechnologie hierin een niet onbelangrijke rol zal spelen, mag blijken uit een aantal sprekende voorbeelden.
Schematische voorstelling van de splitsing van water in waterstof en zuurstof met zonlicht (fotolyse) door middel van TiO²-nanobuisjes © Sirris
pagina 35/79
Nanogestructureerde zonnecellen voor omzetting van zonne-energie in elektriciteit Vergelijkbaar met fotosynthese of de omzetting van zonlicht naar een andere energievorm door planten, zo zetten zonnecellen (of photovoltaïsche cellen) zonne-energie om in elektriciteit. Zonnecellen kunnen een revolutie betekenen in de productie van elektriciteit. Een onmiskenbare evolutie in de ontwikkeling van zonnecellen is het huidige gebruik van 300 micrometer dik silicium, via een lagere dikte van (toch nog) 100 micron en siliciumlagen met een dikte kleiner dan 20µm, naar tenslotte het gebruik van organische cellen met nanometerafmetingen voor de kleinste structuren. Voor de constructie van deze zogeheten Graetzel-zonnecellen maken de onderzoekers gebruik van organische nanodeeltjes of een combinatie van organische als anorganische nanodeeltjes, zogeheten hybride cellen.
Illustratie van nanokatalysator : nanoclusters van metaal, in nanoporiën
Het hart van de zonnecel wordt gevormd door een composietmateriaal, dat als een dunne film gevat is tussen twee elektrodes. Het composietmateriaal is dankzij de aanwezige nanodeeltjes in staat om te fungeren als ontvanger voor fotonen en deze om te zetten in elektrische ladingen. Momenteel worden er in verschillende laboratoria goedkope zonnecelconcepten met een hoge efficiëntie onderzocht, bijv. zonnecellen die als een laag geverfd kunnen worden op daken van auto’s en bussen en zelfs van huizen. In dat geval gebruiken de onderzoekers dus geen silicium meer, maar bijvoorbeeld een laagje koperindiumsulfide dat aangebracht wordt in ruimtes tussen titaanoxide. Doorgedreven onderzoek naar de nanodeeltjes en het gebruik ervan in goedkope productieprocessen moet toelaten om de efficiëntie van de cellen op voldoende hoog niveau te brengen. Dit zal de kostprijs van de opgewekte elektriciteit, uitgedrukt in Euro/Watt, voldoende verlagen zodat toepassing door de consument mogelijk wordt.
© Sirris
pagina 36/79
Efficiëntere energieopslag met nanogestructureerde batterijmaterialen Het slim organiseren van materialen op nanoschaal kan ook voor opslag van elektrische energie met behulp van batterijen tot doorbraken leiden. Het sleutelbegrip is voor batterijen is energiedichtheid. Uitgedrukt in Wattuur/kg, is de trend om naar steeds hogere energiedichtheden te evolueren. Door aan het ontwerp van het elektrolyt en van de elektrodes te sleutelen en deze van nanogestructureerde materialen te voorzien kan energie namelijk beter in batterijen worden opgeslagen. Dit maakt batterijen kleiner en lichter zonder aan vermogen in te boeten, zodat ze bijvoorbeeld meer concurrentieel worden voor toepassingen in de transport- en vervoerssector. Onderzoekers werken bijvoorbeeld aan een batterij die gebaseerd is op koolstof-nanobuizen. Verwacht mag worden dat het grote werkzame oppervlak van deze nanomaterialen vrijwel instantaan opladen mogelijk kan maken.
Vergeet uw brandstofcellen niet ... Een brandstofcel kan gezien worden als een onuitputtelijke batterij, die door middel van een beheerste reactie elektrische stroom levert zolang ze maar gevoed wordt met brandstof. Brandstofcellen kunnen potentieel ingezet worden in mobiele toepassingen (ter vervanging van de huidige verbrandingsmotoren in voertuigen), in (laagvermogen) draagbare toepassingen zoals gsm’s en laptops, maar ook in hoogvermogen stationaire toepassingen, van stroomgroepen tot grotere warmtekrachtcentrales. Het belang van brandstofcellen die gevoed worden met waterstof mag niet onderschat worden aangezien zij een potentiële energieomvormer zijn zonder schadelijke uitstoot. De ontwikkeling van steeds betere en goedkopere brandstofcellen, kan maar plaatsvinden als geschikte katalysatoren beschikbaar komen voor de anode en kathode, alsook efficiënte membranen. Nanogestructureerde membranen zullen enerzijds moeten in staan voor een hoge flow van ladingsdragers, anderzijds mogen ze niet doorlaatbaar zijn voor de brandstof zelf. Voor de elektrodes is dan weer een andere rol weggelegd. Door het verkleinen van de dimensies in de elektrodestructuur neemt zijn oppervlakte: volume -verhouding sterk toe. Hierdoor stijgt in brandstofcelelektrodes de volumedichtheid van de actieve locaties waar uitwisseling tussen gas-, vloeistof- en vaste fase plaatsgrijpt, aanzienlijk. De brandstof die men voor brandstofcellen vooral in gedachten heeft is waterstof. Waterstof komt niet als brandstof voor op aarde en het komt er op aan om waterstof als energiedrager te produceren gebruik makend van bijvoorbeeld zonne-energie. Een uitdaging is de veilige opslag van waterstof, wat een flinke opstap zou betekenen naar de waterstofeconomie. Het zou alleszins betekenen dat het opladen (of beter ‘bijtanken’) minder vaak nodig is en veel sneller kan. Om een hoge energiedichtheid te bereiken, behoort opslag van vloeibaar waterstof in een microporeus materiaal, zoals water door een spons wordt vastgehouden, tot de veel belovende opties. Omdat hier een groot specifiek oppervlak gewenst is, komen komt opnieuw het gebruik van koolstof-nanobuisjes, in beeld. Helaas komen hier nog lage temperaturen aan te pas, omdat het systeem anders continu waterstof lekt. Ook nanogestructureerde metaalhydrides, zoals Mg2NiH2 and LaNi5H6, lijken veelbelovend kandidaten om deze rol in aanmerking te komen.
© Sirris
pagina 37/79
Efficiënter energietransport dankzij omzetting met nanokatalysatoren Met nanotechnologie is het in principe mogelijk om de omzetting van energie naar een andere vorm van energie op moleculair niveau te regelen. Om grote volumes aardgas te transporteren wordt het gas op dit moment gekoeld tot vloeibaar gas en als zodanig vervoerd. In de toekomst wordt verwacht dat het in verschillende stappen omgezet kan worden naar kerosine, diesel en andere vloeibare brandstoffen, die daarnaast het voordeel hebben geen roet of zwaveloxiden te produceren omdat het schone brandstoffen zullen zijn.
© Sirris
pagina 38/79
Photovoltech Opgericht in december 2001, met een initiële investering van ongeveer 14 millioen Euro, wordt Photovoltech gesteund door 3 belangrijke aandeelhouders: Total (47.8%), Suez-Electrabel-Soltech (47.8%) en IMEC (4.4%). Total en Electrabel zijn reeds commercieel actief op het gebied van zonne-energie via hun respectievelijke dochtermaatschappijen Tenesol en Soltech. Gebruik makend van een high-tech machinepark en zonneceltechnologie ontwikkeld door het Interuniversitair Micro-electronica Centrum (IMEC) is Photovoltech de productie gestart van polykristallijne silicium zonnecellen in november 2003. Als een spin-off van IMEC heeft Photovoltech een brede waaier van innovatieve technologien tot zijn beschikking. Een speciaal productie proces voor het aanbrengen van textuur levert cellen op (MAXIS) die een duidelijk zichtbare uniformiteit combineren met een hoge efficientie (tot 16% en meer). Het topproduct in het bereik van cellen is de MAXIS BC+ cel, waarbij het metallisatie proces toelaat om de electrodes doorheen de cell te contacteren. Op deze manier hopen we de efficientie van industriele zonnecellen van 15-16% te verhogen tot 20%. Maar daar hoeft het niet op te houden voor kristallijn Si zonnecellen. Op dit moment wordt er ook nagedacht over concepten die de efficientie van deze zonnecellen zelfs kunnen opkrikken tot boven 25%. Naar alle waarschijnlijkheid zal nanotechnologie hierbij een belangrijke rol spelen. Silicium kwantumdots en nanodeeltjes zullen hierbij de elementen zijn die deze verdere sprong voorwaarts mogelijk zullen maken. Nanotechnologie om Giga-watts op te wekken, het is een uitdagende gedachte.
Als gevolg van duurzame en continue groei van de zonnecel markt en de sterke vraag naar producten, heeft Photovoltech besloten om zijn productiecapaciteit te verhogen van 13 MWp naar bijna 80 MWp per jaar. Deze uitbreiding is reeds in uitvoering en de volgende stappen zijn uitbreiding tot 50-55 MWp tegen het midden van 2007 en verdere uitbreiding tot een capaciteit van 80-85 MWp tegen het einde van dit jaar. De samenwerking tussen Photovoltech en IMEC werd in 2006 uitgebreid en dekt momenteel verschillende onderwerpen af: de ontwikkeling van zonnecel technologie voor dunne kristallijne Si zonnecellen met een dikte <150 µm, de ontwikkeling van kristallijne Si zonnecellen die volledig op de achterzijde worden gecontacteerd, alsook nieuwe passivatie lagen. http://www.photovoltech.be/html/UK/set_main.asp
© Sirris
pagina 39/79
Direct aanmaak van waterstof met zonlicht of fotolyse Onderzoekers hebben ontdekt dat titanium oxide nanobuisjes, gevormd uit titanium oxide films in een geschikt elektrolytisch bad, effectief water kunnen splitsen in waterstof en zuurstof onder invloed van UV-licht. Dit is mogelijk omdat UV-fotonen ingevangen worden in de poriën van de buisjes en omdat het beschikbare oppervlak voor het ontleden van water, voldoende groot is. Optimaliseren van de geometrie van de nanobuisjes laat tot de efficiëntie te verbeteren: 7% omzetting van lichtenergie in chemische energie is het beste resultaat tot nu toe.
Zal nanotechnologie milieu en energie in harmonie brengen... De blijvende stijging van het wereldwijde energieverbruik en het daarbij horende kostenplaatje verantwoord de vraag naar goedkope alternatieve energie. Er is nood aan goedkope omzetting van de ene energievorm naar de andere, bijvoorbeeld omzetting van zonlicht in elektrische energie, met een zo hoog mogelijke efficiëntie. De kostprijs van bestaande zonneconversie-installaties staat op dit moment de concurrentie met fossiele brandstoffen nog in de weg. Anderzijds is het is nu al mogelijk om een auto te laten rijden op waterstof, zonnecellen of oplaadbare batterijen. Maar de gap tussen de huidige kennis en stand van de techniek enerzijds en de eisen vanuit een efficiënte en kosteneffectieve duurzame economie is nog erg groot. De op handen zijnde ontwikkelingen laten vermoeden dat decentrale opwekking van energie, op de plaats waar ze nodig is, een mooie toekomst tegemoet gaat. Decentralisatie van de energievoorziening, waarbij elke verbruiker tevens ook producent kan zijn, zal immers het transport en de bijhorende transportinfrastructuur overbodig maken. Nanotechnologie heeft in deze veel te bieden en het mag verwacht worden dat nanotechnologie ook hier een prominente bijdrage aan zal leveren.
© Sirris
pagina 40/79
Nanotechnologie in de bouwsector April 2007 F. Monfort-Windels Sirris
De ‘’ bouw ‘’ is een zeer gefragmenteerde sector met vele gezichten. Ze staat gekend als weinig onderzoeksgericht en wordt gekenmerkt door een eerder conservatieve houding. De kosten en het uitgesproken high-tech karakter van nanotechnologie, gekoppeld aan het nog altijd ontbreken van praktische toepassingen, staan hier een doorbraak naar spraakmakende veranderingen in de weg. De bouwsector zal echter kunnen profiteren van nieuwe inzichten op het gebied van nanomaterialen, en zal hierbij zeker kunnen putten uit ervaringen in de luchtvaart-, automobiel- of elektronica-sector. Innovaties met duidelijke impact worden dan ook verwacht binnen de eerstkomende vijf jaar. Dit eerste artikel presenteert een paar voorbeelden van vooruitstrevende toepassingen van nanotechnologie in bouwmaterialen zoals beton, staal en glas. Een tweede tekst illustreert hoezeer nanotechnologie eigenlijk al doorgedrongen is in commerciële produkten voor de inrichting van het huis: isolerende materialen, efficiënte verlichting, intelligente coatings…
Nanotechnologie en beton Beton blijft hét bouwmateriaal bij uitstek: elk jaar wordt er wereldwijd één kubieke meter beton per bewoner geproduceerd! Meerdere onderzoeksgroepen hebben aanzienlijke inspanningen geleverd om de eigenschappen van beton op minuscuul kleine schaal te begrijpen. De complexe structuur van beton manipuleren op nano-schaal kan immers uitmonden in de creatie van nieuwe, meer resistente en duurzame macro-materialen. Zo heeft het Canadese IRC-CNRCN instituut aangetoond dat het toevoegen van nanodeeltjes aan beton de porositeit van dat beton kan beïnvloeden. Koolstof-nanobuisjes met een diameter van dezelfde grootte-orde als die van elementaire laagjes gehydrateerd cement kunnen de sterkte van beton onder buiging en compressie verbeteren: ze verhinderen als het ware dat barsten in het beton zich verder verspreiden.
Nanolagen van calciumaluminaat in beton – Nationale raad voor onderzoek van Canada © Sirris
pagina 41/79
Onderzoekers aan het MIT hebben duidelijk aangetoond dat elk cement een gelijkaardige nanostruktuur bezit, opgebouwd door 5 nm kleine nanodeeltjes van het bindmiddel gehydrateerd silicaat (C-S-H). De sterkte en duurzaamheid van het materiaal hangen veeleer af van de manier waarop die nanodeeltjes georganiseerd zijn, eerder dan van de aard van de bestanddelen. Dit inzicht opent de deur naar het ontwikkelen van minder energieverslindend cement op basis van alternatieve materialen. Wanneer silica op nanoschaal (5-50nm) aangewend wordt in zelfverdichtend beton, verbetert de hanteerbaarheid en duurzaamheid van dat beton. Het mechanisme hierachter is complex: de nanodeeltjes verminderen de viscositeit van het mengsel en begunstigen het in oplossing blijven van de bestanddelen. Ze vullen de poreuze structuur tussen de mineraaldeeltjes op en houden het aanwezige water vast, en tenslotte vergemakkelijken ze de kristallisatie van hydraten en versnellen aldus de hydratatie. De fotokatalytische eigenschappen van titaandioxide worden benut in zogenaamd zelf-reinigend beton. UV-straling zet een fotokatalyse in gang die reactief zuurstof genereert. Vervuilende substanties afgezet op voorgevels worden afgebroken en vervolgens uitgespoeld. Constructies behouden zo met verloop van tijd hun esthetische kwaliteiten. Additieven vormen ook het onderwerp van studie, en dan vooral om na te gaan hoe ze op nanoschaal kunnen aangepast worden aan nieuwe noden. Zo worden bijvoorbeeld nieuwe superplastificeermiddelen op basis van polycarboxylaten gebruikt om de sterkte van versgestort zelfverdichtend beton te verhogen. Hierdoor worden de energie en de tijd nodig voor de feitelijke aanwending van het beton duidelijk gereduceerd.
Nanotechnologie en staal Constructiestaal haalt voordeel uit talrijke verbeteringen in andere consumentensectoren zoals de automobielsector. Zo heeft onderzoek naar de beheersing op nano-schaal van de cementietfaze in staal geleid tot zeer sterke kabels voor zowel autobanden als hangbruggen. Vanadium en molybdeen nanodeeltjes toegevoegd aan staal voor speciale schroefbouten waarvoor een hoge sterkte vereist is, maken het mogelijk verbrossing door de aanwezigheid van waterstof aan de korrelgrenzen terug te dringen. De kwetsbaarheid van lasnaden en de zones eromheen verminderen is van groot belang voor metaalconstructies die onderhevig zijn aan metaalmoeheid of die gelegen zijn in aardbevingsgevoelige gebieden. De toevoeging van magnesium of calcium nanodeeltjes zou toelaten vijf maal kleinere korrels te verkrijgen in deze kwetsbare zones en zou dus leiden tot veel sterkere lasverbindingen. Twee nieuwe, tot op nano-schaal ge-engineerde staalsoorten hebben hun opwachting gemaakt op de bouwmarkt. Sandvick stelt een staal voor, Nanoflex, dat harde nanodeeltjes bevat en daardoor tegelijkertijd zeer sterk, rekbaar en bovendien corrosiebestendig is. Dit staal wordt nu al gebruikt in nichetoepassingen maar ziet zijn marktaandeel vergroten. MMFX Steel Corp. stelt wapeningsstaal voor dat corrosiebestendig gemaakt is door een wijziging in nanostruktuur : dit is een goedkoop alternatief voor inox. © Sirris
pagina 42/79
Nanotechnologie en hout De Australische firma Nanotec Pty heeft een super-waterafstotend produkt met nanodeeltjes ontwikkeld om hout te behandelen. Deze deeltjes verbinden zich op het oppervlak in een 25 nm dunne monolaag die verhindert dat vuil zich afzet. De combinatie met het sterk waterafstotende karakter van het oppervlak verzekert een lotus-effect : het water rolt van het hout af zonder er in door te dringen en sleept vuiligheid mee. Daarenboven verhoogt de behandeling ook de levensduur van het materiaal, door de insijpeling van water te regelen.
Behandeling Nanoseal Wood-Nanotec
Houtbescherming met insecticides of fungicides is ofwel schadelijk voor het milieu ofwel niet echt efficiënt. Phibro-Tech heeft een behandeling ontwikkeld waarbij beschermende nanodeeltjes of polymeercapsules onder druk geïnjecteerd worden in het hout. Deze deeltjes zijn klein genoeg om door te dringen tot in de kleinste structuren van het hout. Dit laat een goede efficiëntie toe met minimale hoeveelheden behandelingsproduct en maakt het mogelijk op een optimale manier de minst schadelijke additieven te gebruiken. Ook verbazingwekkend: sinds kort is gebleken dat houtvezels samengesteld zijn uit cellulose nano-vezeltjes (diameter 30-40 nm). Hun sterkte is slechts een kwart van die van koolstof-nanobuisjes, maar ze zijn veel goedkoper en van origine natuurlijk. Een cluster van Finse bedrijven en universiteiten werkt deze mogelijkheid om materialen te herstellen vanaf hun nanovezels verder uit.
Nanotechnologie en glas Pilkington Activ of Saint-Gobain Bioclean zelf-reinigend glas is bedekt met een 50 nm dunne transparante laag die gedeponeerd wordt tijdens de fabricatie van het materiaal en dus zeer duurzaam is. Dit glas combineert een fotokatalytisch effect en een hydrofiel effect. Onder UV straling ontbinden deeltjes van titaandioxide de vervuilende stoffen en maken ze los van het oppervlak terwijl het regenwater of het waswater een film vormt die vuiligheid elimineert.
Pilkington Activ aan de voorgevel van een hotel ©JPDUPLAN © Sirris
pagina 43/79
De beglazing wordt ook vuurvast dankzij het invoegen van een transparante film op basis van siliciumdioxide nanodeeltjes tussen twee glazen panelen. Dit is bijvoorbeeld het geval bij het produkt Interflam van Interver Special Glass. Het voordeel van deze “nanotechniek”: de optische eigenschappen van de beglazing worden gevrijwaard. Een goede controle van de warmte-uitwisseling doorheen steeds grotere glazen oppervlakken in vensteropeningen is belangrijk voor het comfort, maar ook voor de vermindering van het energieverbruik. Passieve oplossingen bestaan er bijvoorbeeld in om op glas ultra-dunne transparante laagjes zilver te deponeren die infra-roodstralen reflecteren. Andere oplossingen stellen actieve materialen voor waarvan de optische eigenschappen kunnen aangepast worden. Het werkprincipe is hier gebaseerd op ultra-dunne laagjes of op nanodeeltjes.
thermochrome beglazing reageert op een temperatuursverhoging door thermische isolatie aan te bieden met behoud van adequate verlichting;
fotochrome beglazing wijzigt zijn optische absorptie in functie van de lichtintensiteit. De actieve bestanddelen zijn hier vooral nanokristallieten van zilverchloride of nano-toevoegingen van kleurstof in een polymeermatrix;
elektrochrome beglazing wijzigt zijn transparantie wanneer er een spanning over wordt aangelegd. Op de markt vinden we reeds Duitse (Flabeg of Interpane) en Amerikaanse produkten (Sage Electrochromic).
Onderzoek naar actieve beglazing, waarbij vooral gekeken wordt naar nanotechnologie, wordt verdergezet met het oog op twee hardnekkige uitdagingen: duurzaamheid en complexiteit van zulke actieve beglazing.
Nanotechnologie en kunststof Talrijke studies evalueren de mogelijkheden van nanodeeltjes in kunststof en composieten. Een interessant vooruitzicht voor de bouwsector betreft het incorporeren van nanoklei (nanoclays) in profielen en thermoplastische panelen. Deze nanodeeltjes hebben een positief effect op de mechanische eigenschappen van het materiaal. Het is ook gekend dat ze op een belangrijke manier de ontvlambaarheid van het materiaal kunnen verminderen, zelfs wanneer maar een klein percentage (2-5%) nanodeeltjes toegevoegd wordt.
Vuurvastheid van polymeren die nanoclays bevatten – Nanocor
© Sirris
pagina 44/79
Het belang hiervan neemt toe omdat voorschriften en normen met betrekking tot brandbaarheid van gebruiksmaterialen in constructiesystemen steeds strenger worden. Het gamma aan toegelaten bestanddelen om kunststof onbrandbaar te maken wordt bovendien beperkt (ban van halogenen).
Nanotechnologie en monitoring van strukturen Dankzij microsystemen, en weldra nanosystemen (MEMS of NEMS: Micro of Nano ElectroMechanical Systems), zal een constructie zichzelf meer en meer kunnen controleren en regelen. De mogelijkheid om nanosensoren door verstuiving of beschildering op een oppervlak aan te brengen ("smart-dust") wordt reeds in overweging genomen. Via een intelligent netwerk zou dit toelaten om op grote schaal de belastingstoestand van een struktuur of de temperatuur-, licht- en luchtkwaliteit in een gebouw te controleren.
© Sirris
pagina 45/79
Bouwsector, nanotechnologie en patenten Een kleine studie van nanotechnologie-patenten in de ‘’bouw’’ laat ons toe de inventiviteit van deze sector te evalueren. De bouwsector wordt gekarakteriseerd door eerder conservatief gedrag en staat nog niet echt open voor nanotechnologie. Slechts 0.42 % van het totale aantal nanotechnologie-gerelateerde patenten en patentaanvragen gaat uit van de bouwsector. Toch vindt men vooruitstrevende toepassingen in alle domeinen: weg-en waterbouwkunde, ruwbouw, dakwerken, schrijnwerkerij, voltooiingswerken en inrichting. Deze laatste groepeert sanitair, verwarming, verlichting en air-conditioning, vertegenwoordigt slechts 21 % van de patenten en patentaanvragen, maar is wel goed voor 47 % van alle nanotechnologie-gerelateerde indieningen in de bouwsector. Verscheidene voorbeelden van produkten worden beschreven in een volgend artikel. Verdeling van de octrooien en octrooiaanvragen betreffend nanotechnologie gepubliceerd in de verschillende domeinen van de bouwsector 12%
16%
Bouwkunde
4%
Ruwbouw
9% 12%
Uitrusting Dakwerk Schrijnwerk Voltooiing
47%
D. Goffinet CSTC-WTCB
© Sirris
pagina 46/79
Een dag uit het leven van Nick de nano-nerd Mei 2007 F. Monfort-Windels Sirris
In de slaapkamer Nick rekt zich langzaam uit en blijft nog wat liggen want het is aangenaam warm in de kamer. Hij heeft recent nieuwe vensters geïnstalleerd met uitstekende warmteisolerende eigenschappen. Deze danken ze aan de doorzichtige aerogel (Nanogel van Cabot), die gesandwiched zit tussen polycarbonaat panelen (Thermoclear van GE). De op silica (2–5 nm) gebaseerde Aerogel bestaat voor meer dan 97% uit lucht en is hierdoor uiterst licht : slechts 90 g/liter. De polycarbonaat-panelen vermenigvuldigen de warmte-isolatie nog eens met een factor 2 tot 4, verbeteren de lichtverspreiding, voorkomen condensatie en zijn daarenboven geluidsisolerend.
Isolerende panelen gevuld met aerogel – Cabot Corp
Dit zijn niet de enige maatregelen die Nick getroffen heeft om zijn huis beter te isoleren. Zo zijn bijvoorbeeld zijn muren behandeld met een op water gebaseerde coating (Industrial Nanotech) waarin Hydro-NM-Oxide verwerkt zit. Nanometergrote poriën maken dit materiaal sterk isolerend. Een verf met nanoladingen verleent de gevel van zijn huis daarenboven een “Lotus-effect” waardoor deze steeds proper blijft. © Sirris
pagina 47/79
Nick bergt zijn LED (light emitting diode) zaklamp op in een schuif. Hij hoopt binnenkort voor heel de binnenverlichting van zijn huis op LED’s te kunnen overschakelen. LED’s verbruiken immers veel minder energie dan traditionele gloeilampen. Dat zal echter maar mogelijk zijn als er witte LED’s op de markt komen die een warm licht verspreiden en dit combineren met een aanvaardbare levensduur en prijs. Nanotechnologie is ook hier de motor van de vooruitgang. Meer bepaald quantum dots, halfgeleidende nanokristallen, zouden in de toekomst de lichtemitterende laag in de LED’s kunnen vormen. Nick heeft een dag vol activiteiten gepland en trekt zijn meest functionele kleding aan: een GAP hemd en broek uit een vlekkenwerende stof (technologie NanoTex) en SoleFresh sportsokken waarin zilveren nanopartikels verwerkt zijn. Deze remmen de vermenigvuldiging van bacteriën en het vrijkomen van onaangename geuren. Hij behandelt zijn schoenen met een Deichmann spray met nanodeeltjes om ze te beschermen tegen vocht en stof. Hij verlaat de kamer, maar legt eerst zijn sleutels in de handtas van zijn vrouw. Ze zal ze makkelijk terugvinden want haar tas (Bree) licht op als hij geopend wordt. Bayer en Lumitec ontwikkelden hiervoor een ultradunne lichtgevende laag.
In de badkamer Na een verkwikkende douche begint Nick aan zijn scheerbeurt. Hij heeft geen last van een bewasemde spiegel want een transparante laag in de spiegel op basis van koolstof-nanobuisjes laat toe de spiegel op een uniforme wijze op te warmen en zo condensatie te voorkomen. (Fraunhofer TEG). Oei, een kleine scheerwonde! Geen enkel probleem. Een Hansaplast Silver pleister met zilveren nanopartikels vermindert het risico op infectie. Hij poetst zijn tanden met een tandpasta (Theramed S.O.S. Sensitiv) die naast proteïnen ook calciumfosfaat-nanopartikels bevat. Hierdoor worden minuscule barstjes in het tandglazuur op een onzichtbare wijze afgedicht en worden de tanden minder gevoelig voor warmte of koude.
Zonnecrèmes met zink of titaan nanodeeltjes
© Sirris
pagina 48/79
Door deze middag wat te sporten hoopt Nick een mooi kleurtje te krijgen. Hij weet niet goed welke zonnecrème te kiezen: de ene bevat titaandioxide nanopartikels (Clarins Sun Care Cream), de andere zink nano-oxides (Olay Procter & Gamble). Beide bieden ze een langdurige en homogene bescherming zonder bleke strepen achter te laten. Niet gemakkelijk om in de warboel van schoonheid- en verzorgingsproducten de juiste flesjes terug te vinden. De cosmetica industrie is reeds lang geïnteresseerd in nanodeeltjes door het gemak waarmee ze doordringen in de huid en door de betere werking van actieve bestanddelen : revitaliserende verzorgingscrème van L’Oréal, verjongingscrème van Clinic, Hydra Zen crème van Lancôme, anti-rimpel crème Revlon,… Even naar het toilet: de binnenkant van de toiletpot (NeoRest Toto) is bedekt met een ultra-gladde nanokeramische laag. De ruwheid hiervan is lager dan 30 nm en microscopische barstjes worden geëlimineerd. Dit heeft als gevolg dat vuil en bacteriën zich niet meer kunnen vastzetten en het toilet onberispelijk schoon blijft.
In de keuken In de keuken is de gootsteen proper: de inox is behandeld met een transparante vuilwerende laag op basis van zirkonium nano-oxides (SOC). Nick kookt met aluminium pannen bedekt met een nanocomposiet dat diamant bevat. Deze laag is ultra-hard, krasbestendig, niet-klevend en zeer warmtegeleidend (Swiss Diamond).
Een ultra-harde bekleding met nano-diamanten – Swiss Diamond Int.
Hij weet misschien niet exact wat hij eet, maar hij is er zich van bewust dat de voedingsindustrie zeer actief is in het domein van de nanotechnologie om zo nieuwe texturen te verkrijgen of om zo bepaalde bestanddelen in te kapselen (Nutralease). Kleurstof-, aroma- en vitaminebevattende nanocapsules worden nu reeds aan dranken toegevoegd : de ingrediënten lossen beter op en worden door het lichaam sneller opgenomen.
In het washok Nick zet zijn Silver Nano (Samsung) wasmachine aan. Tijdens het wassen geeft deze machine via elektrolyse zilverionen vrij. Deze dringen door in de textiel, onderdrukken de kiemgroei en doden zeer snel pathogene bacteriën, ongeacht de wastemperatuur. © Sirris
pagina 49/79
Een wasmachine op basis van bacterie-dodende eigenschappen van zilver – Samsung
Terwijl de wasmachine draait, strijkt hij snel een paar hemden. De zool van zijn Rowenta strijkijzer is uitgerust met een transparante en krasbestendige antikleeflaag uit email met daarin 10nm silica nanopartikels (sol-gel technologie EPG). De ramen hebben dringend een beurt nodig. Nick gebruikt Sidolin NanoProtect (Henkel) dat silica nanopartikels bevat. Deze vormen een hydrofiele laag op het glasoppervlak waardoor het water niet parelt maar een film vormt. Het loopt af zonder sporen na te laten.
In de garage Tijd voor ontspanning. Tom kruipt op zijn Easton fiets, die ook door de renners van de Astana ploeg gebruikt wordt. Het kader weegt minder dan 1 kilo omdat het gemaakt is van een met koolstof-nanobuisjes versterkt composietmateriaal. Enkel het pedaalwerk is nog uit metaal.
Een fiets versterkt met koolstof-nanobuisjes – BMC Trading
© Sirris
pagina 50/79
Hij neemt zijn tennismateriaal mee: zijn met koolstof-nanobuisjes versterkte Wilson raket, maar ook zijn Double Core tennisballen. Hun latex butyl binnenbekleding bevat nanodeeltjes van klei waardoor de luchtdoorlaatbaarheid verminderd wordt. Dit heeft tot gevolg dat de tennisballen dubbel zo lang hun inwendige druk behouden.
In de woonkamer Moe maar voldaan, keert Nick weer naar huis en nestelt zich in zijn zetel onder zijn Greenyarn plaid. Hierin zitten nanodeeltjes van bamboe houtskool verwerkt. Dit maakt de stof bacteriën- en schimmelwerend en antistatisch. Hij wil wat naar muziek luisteren en neemt de IPod Nano van zijn zoon. Hij laat zich niet vangen door de “Nano” in de naam van dit product: hij weet dat hier niet meer “Nano” in zit dan in vele andere elektronische spullen. Hij weet echter ook dat om dergelijke prestaties en miniaturisatie te combineren men nanotechnologische productiemethoden moet beheersen, zoals ze ook gebruikt worden bij de fabricatie van flash geheugens (60 nm technologie).
Elektronische toestellen met flash-geheugens op basis van nanotechnologie
Hij wordt onderbroken door een rinkelende Motorola GSM met een veld-emissie schermpje op basis van koolstof-nanobuisjes. Het schermpje heeft een voortreffelijke kleurenweergave, een grote kijkhoek en een snelle responsietijd. Zijn vriend, een dokter, vertelt hem dat men nieuwe behandelingen voor prostaatkanker klinisch aan het testen is. Een nieuw element in de toediening van het medicijn zijn de nanodeeltjes die het medicijn inkapselen en het vrijgeven volgens een voorafbepaald schema. Zij worden ook gebruikt voor substanties die zeer specifiek bepaalde kankers bestrijden. In Duitsland worden ijzeroxide nanopartikels getest die van buiten het lichaam gemagnetiseerd kunnen worden: onder invloed van een aangelegd magneetveld geven deze dan warmte af waardoor naburige cellen vernietigd kunnen worden.
© Sirris
pagina 51/79
Aan het eind van de dag drinkt Nick een frisse pint, uit een kunststof flesje. De Multilagige PET fles bevat het nanocomposiet-materiaal Imperm, waarin nanoklei en nylon verwerkt zitten. De kleideeltjes zijn als kleine plaatjes en in parallelle lagen verdeeld in de kunststof en dwingen hierdoor de gasdiffusie langs een bochtig traject. Hierdoor krijgt het flesje uitzonderlijke eigenschappen: er vormt zich een barrière voor CO2 en O2 en het biertje kan gedurende vele maanden al zijn smaakeigenschappen behouden.
Terug in de slaapkamer Nick slaapt zachtjes in en droomt van de talrijke op til zijnde innovaties in laboratoria, onderzoekscentra en ondernemingen, die binnen afzienbare tijd zijn leven zullen veranderen.
© Sirris
pagina 52/79
Nanotechnologie in de biomedische sector Juni 2007 D. Maes IMEC
Nanotechnologie begint stilaan ons dagelijkse leven te beïnvloeden. We vinden producten gebaseerd op nanotechnologie terug in onze keukens, onze wagens en onze kledij. Waar we op korte termijn ook zeker de effecten van nanotechnologie zullen ervaren, is in de gezondheidszorg. Dankzij de combinatie van nanotechnologie met biologie worden nieuwe mogelijkheden gecreëerd. Hoe die er precies uitzien, belichten we in deze aflevering van onze reeks rond nanotechnologie. Een patiënt komt een dokterspraktijk binnen. Buiten een donkergroen ligbed en een bureau met een PC is de ruimte zo goed als leeg. De dokter gebaart de patiënt op het bed te gaan zitten en neemt intussen een apparaatje van zijn bureau. Hij steekt de CIS-kaart van de patiënt erin. Dan neemt hij een steriel plaatje waar een kleine naald uitsteekt. Hij drukt een vinger van de patiënt op het plaatje. Luttele seconden later staat een gedetailleerde bloedanalyse op het scherm van de PC. En nog een paar minuten later heeft de dokter een volledige diagnose kunnen opstellen, medicatie voorgeschreven en de patiënt een goed herstel gewenst. Science fiction? Toch niet! Wel nog volop science, maar verre van fictie. Wetenschap die binnen een aantal jaren zijn intrede zal doen in onze gezondheidszorg.
Twee werelden ontmoeten elkaar Het zijn de biosensoren, die momenteel op vele plaatsen in ontwikkeling zijn, die bovenstaand scenario mogelijk zullen maken. In een biosensor brengen biotechnologen, scheikundigen en micro-elektronici de sterke punten van hun eigen vakgebied samen: de selectiviteit van de natuur met de snelheid en gebruiksvriendelijkheid van de micro-elektronica. Het "bio"-onderdeel van een biosensor is een biologisch herkenningssysteem. Dit is een laag biomoleculen die de doelmoleculen specifiek gaan binden of erop reageren. Het "sensor"-onderdeel van een biosensor bestaat uit een elektronisch vertaalsysteem dat de biologische herkenningsreactie omzet in een meetbaar elektrisch signaal. Tussen de beide onderdelen van het systeem is een fysische verbindingslaag nodig. Deze bestaat typisch uit slechts één laag moleculen, die zich zelf op het oppervlak organiseren in de juiste configuratie. Dit wordt zelfassemblage genoemd. Deze techniek wordt mogelijk gemaakt door de vooruitgang in de manipulatie van de atomaire en moleculaire bouwstenen, hetgeen we bottom-up nanotechnologie noemen. De benadering van de micro-elektronica is dan weer top-down. Hierbij worden patronen op nanometerschaal gedefinieerd door lithografische processen, zodat zeer complexe en intelligente elektronische schakelingen op een zeer kleine oppervlakte kunnen gefabriceerd worden. © Sirris
pagina 53/79
Een biosensor ontstaat daar waar de bottom-up nanotechnologie van de biologie en de scheikunde enerzijds en de top-down nanotechnologie van de microelektronica anderzijds elkaar ontmoeten. De combinatie van deze twee werelden is echter niet vanzelfsprekend. Naast de wetenschappelijke en technologische uitdagingen is er ook het feit dat biologen en elektronici een andere taal spreken en op een heel andere manier denken. Terwijl elektronici bijvoorbeeld eerder met mooie geordende structuren willen werken, zullen biologen gemakkelijker het stochastische van een biologisch systeem aanvaarden.
Biosensorsysteem
Het interdisciplinair samenwerken tussen deze twee werelden is dus al een uitdaging op zich, maar als ze effectief tot stand komt, wordt er veel mogelijk. Het systeem voor snelle diagnostiek dat hierboven werd beschreven, wordt momenteel ontwikkeld door een consortium van Europese onderzoekscentra, universiteiten en ziekenhuizen in het project SmartHEALTH. Naast het apparaat op zich wordt er in het project ook aandacht besteed aan de integratie van het systeem in de hedendaagse gezondheidszorg. Het doel is dat deze intelligente, compacte apparaten leiden tot een verschuiving van allerlei testen van het labo naar de dokterspraktijk, of naar het POC (point of care) in het algemeen. Op deze manier kan de diagnose sneller gesteld worden, zodat ook de behandeling sneller en beter aangepast kan zijn, en complicaties en lange ziekenhuisverblijven kunnen beperkt worden. Het gevolg is een significante besparing in de totale kost van de gezondheidszorg.
Meten is weten Verschillende principes kunnen toegepast worden als detectiemechanisme in een biosensor. Telkens meet men het binden van de biomoleculen aan de doelmoleculen of een reactie die de biomoleculen aangaan in aanwezigheid van de doelmoleculen. We belichten hier twee principes. In een “Surface Acoustic Wave” (SAW) gebaseerde sensor zijn de biomoleculen via een verbindingslaag verankerd op een goudlaagje tussen twee kamvormige structuren die een geluidsgolf over het oppervlak kunnen verzenden en ontvangen. De biomoleculen kunnen bijvoorbeeld antilichamen zijn die specifiek binden met prostaat specifieke antigenen (PSA). Wanneer de antigenen van het bloedstaal binden met de antilichamen van de sensor, zal de massa van het goudplaatje toenemen. Hierdoor verandert de resonantiefrequentie van de sensor. Deze verandering kan gemeten worden door het onderliggende elektronische vertaalsysteem.
© Sirris
pagina 54/79
Deze sensor maakt het mogelijk om op een snelle manier, met slechts één druppel bloed, na te gaan of iemand een verhoogde concentratie PSA in het bloed heeft. Wanneer deze concentratie een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, is dit een sterke indicatie voor prostaatkanker.
SAW-sensor
De “Transmission Plasmon Biosensor” (TPB) is gebaseerd op een door het Leuvense onderzoekscentrum IMEC gepatenteerde techniek. De sensor bestaat uit een glasplaatje waarop goudbolletjes van enkele tientallen nanometers diameter zijn aangebracht. Hierop zitten de biomoleculen verankerd waaraan verschillende receptoren kunnen gelinkt worden. “Transmission” staat voor licht dat door de transparante laag heen op de goudbolletjes wordt geschenen. Het goud absorbeert het licht. De amplitude van de absorptie verandert wanneer er iets bindt aan de receptor op het gouddeeltje. Met name het verschil in diëlectrische constante van het goudbolletje en het materiaal is van belang. Dit heet het “plasmon” effect, vandaar de tweede term in de naam van de sensor. De eerste toepassing van de TPB is de detectie van verschillende eiwitten in het bloed, en dit aan concentraties van nanogram per milliliter.
TPB
Moleculair rekenen Biosensoren zijn momenteel de meest concrete toepassing van nanotechnologie in de biomedische sector. Maar er zijn er nog. Zo wordt er volop gewerkt aan het verbinden van zenuwcellen met elektronische schakelingen als een manier om geavanceerd onderzoek te doen naar bepaalde ziekten zoals Alzheimer.
© Sirris
pagina 55/79
Een andere toepassing is het toedienen van medicatie op de plaats waar deze nodig is, namelijk specifiek in de aangetaste cel. Hiervoor wordt gekeken naar koolstof nanobuisjes als transporteurs van de geneesmiddelen. Wat we verder in de toekomst zullen leren kennen zijn bio-computers, waarbij de berekeningen gedaan worden door DNA-moleculen, en biomoleculaire robots, die beschadigde cellen zullen kunnen herstellen. Allemaal dankzij de nanotechnologie en de kruisbestuiving tussen biologie en micro-elektronica.
De kunstmatige pancreas, een concrete toepassing van IT4IP’s membraantechnologie Meer dan 80 miljoen personen in Europa lijden aan suikerziekte type 1. Dit type suikerziekte wordt gekenmerkt door een onvoldoende aanmaak van insuline in de pancreas. Resultaat: een te laag bloedsuikergehalte, wat kan leiden tot langetermijn complicaties zoals hart-en vaatziekten, nierproblemen, gezichtsverlies… Het is mogelijk een pancreas te transplanteren, maar het beperkte aantal donoren en het risico op een afstotingsreactie door een aanval van immuuncellen maken dit verre van eenvoudig. Om deze moeilijkheden te omzeilen is het idee ontstaan van de transplantatie van een “artificiële pancreas” waarbij insuline-producerende cellen, de zogenaamde "eilandjes van Langherans", geïncapsuleerd worden in een geavanceerd membraan. Enerzijds houdt dit membraan vijandige immuuncellen tegen, anderzijds worden insuline en glucose nog altijd doorgelaten. Deze “kunstmatige pancreas” met membranen van it4ip werd met succes getest op proefdieren. De volgende stap naar toepassing op mensen en de daarvoor benodigde klinische testen zouden moeten plaatsvinden de komende maanden. Ontwikkeld aan de Université catholique de Louvain (UCL-POLY) en geproduceerd door it4ip zijn deze high-tech membranen eigenlijk niets anders dan dunne poreuze filmen. D.w.z. polymeer- of metaallaagjes voorzien van minuscule "porieën", waardoor een vloeistof of een gas kan worden gefilterd.
© Sirris
pagina 56/79
Deze filtering wordt onderverdeeld in verschillende categorieën naargelang de grootte van de gefilterde deeltjes of de gebruikte technologie: in het geval van ultrafiltrering worden porieën van slechts enkele tientallen nanometer aangebracht in een dunne film. Het gebruik van dergelijke membranen laat toe alle deeltjes groter dan 100 nm tegen te houden en maakt zo bijvoorbeeld een complete eliminatie van virussen mogelijk. Er bestaan verschillende procédés om poreuze membranen te fabriceren, zoals de perforatie van metalen of polymeren. De technologie van it4ip bestaat erin dunne polymeerfilmen te perforeren : de filmen worden als het ware gebombardeerd met zware energetische ionen (=geladen atomen). De chemische verbindingen in het polymeer worden eerst beschadigd door deze zware ionen en daarna worden deze verzwakte zones chemisch "doorboord". De membranen zijn eigenlijk wat men noemt "track-etched", vandaar de naam it4tip: "Ion Track Technology for innovative products ". Deze technologie wordt voortdurend verfijnd en opent nieuwe mogelijkheden voor exploitatie in het domein van de nanotechnologie. Het is op dit moment mogelijk deze nanoporieën te vullen met een ander polymeer of een metaal en op deze manier nanodraden of nanobuisjes te maken. Er wordt verwacht dat deze nanostrukturen hun weg zullen vinden in een grote waaier aan high-tech toepassingen voor snelgroeiende nanotechnologiemarkten (zie het 2de dossier : nanobuisjes). Deze technologie is uniek en gebrevetteerd. Ruimer geschetst levert it4ip membranen van hoge kwaliteit: ze ontwikkelt prototypes en pilootprodukten in kleine series. Tenslotte levert it4ip ook advies in onderzoek & ontwikkeling en neemt ze gezamenlijk met haar klanten deel aan onderzoeksprojecten. Op deze manier ontwikkelt ze nieuwe toepassingen en nieuwe markten voor haar technologie. http://www.it4ip.be
© Sirris
pagina 57/79
© Sirris
pagina 58/79
Van Micro- naar Nano-Systemen September 2007 Ch. Bruynseraede IMEC
Beeld je een motor in, kleiner dan het menselijk oog kan zien. Beeld je nu een micro-chip in waarop duizenden van deze minuscule motoren samenwerken. Beeld je een wereld in waar zwaartekracht niet langer belangrijk is, maar waar atomaire krachten en oppervlakte-wetenschap domineren. Welkom in een wereld van uitdagingen en onvermoede mogelijkheden. Welkom in de wereld van de MEMS en de NEMS. “In elke huiskamer een PC”. Deze boutade van Bill Gates is werkelijkheid geworden dankzij de eerste ‘siliciumrevolutie’: een verregaande miniaturisatie van geïntegreerde circuits (IC’s), waardoor micro-chips steeds krachtiger én tegelijkertijd goedkoper werden. Nu bevinden we ons midden in een tweede siliciumrevolutie, waarbij nieuwe, nietelektronische functies op de micro-chip geïntegreerd worden. Hierdoor kunnen micro-chips niet enkel rekenen, maar zijn ze ook in staat om te detecteren en te reageren op wat rondom hen gebeurt. De micro-chip wordt een intelligent microsysteem. Dergelijke systemen spelen reeds een prominente rol in IT en de automobielindustrie. De komende jaren zullen zij in toenemende mate ook andere domeinen veroveren. In wat volgt belichten we een belangrijke tak van de intelligente microsystemen, de MEMS (micro-elektromechanische systemen), en kijken we vooruit in de toekomst, naar de NEMS (nano-elektromechanische systemen).
Links: een voor het blote oog onzichtbare mijt op een micromotor - Sandia National Laboratories, www.mems.sandia.gov Midden: een microspiegel en zijn motormechanisme - Sandia National Laboratories, www.mems.sandia.gov Rechts: Verschillende stadia van selectieve materiaalafname via chemische weg onder een micromechanische brug
In dit eerste artikel verkennen we de fascinerende technologie van MEMS en NEMS. Een tweede tekst illustreert hoezeer MEMS eigenlijk al doorgedrongen zijn in commerciële produkten in allerlei sectoren: sensoren voor air-bags, micro-spiegels, biosensoren, inkjetprinters,…
© Sirris
pagina 59/79
Wat zijn Micro-ElektroMechanische Systemen (MEMS)? In Micro-ElektroMechanische Systemen worden IC-fabricatietechnologie en microsysteemtechnologie geïntegreerd. Dit maakt het mogelijk om microelektronische circuits te combineren met micro-mechanische componenten. Het resultaat : een micro-chip waarvan bepaalde minuscule onderdelen kunnen bewegen of trillen ! De afbuiging of vibratie van zo’n micro-mechanisch element - bvb. een langs twee zijden ingeklemd nanobalkje - in respons op een extern signaal laat toe deze signalen nauwkeurig te meten. Signaal-omzetters vertalen die beweging in elektrische signalen waarop de micro-electronica van de chip zijn rekenkracht kan loslaten. Dit werkt ook in omgekeerde richting: de micro-elektronica kan bepaalde mechanische componenten op de chip, micro-actuatoren, controleren en aansturen. Alhoewel kleiner dan een zandkorrel, vormen deze MEMS complexe machines die elektronica combineren met andere technologieën tot een intelligent, geminiaturiseerd systeem. Het zijn complete systemen-op-chip waarbij de mechanische elementen een rol vervullen als micro-sensoren, micro-actuatoren, microhydraulica, microrobotica, etc. Ze breiden de rekenkracht van de microelektronica uit met waarnemings- en controlefuncties. Het brein op de micro-chip krijgt als het ware “ogen“ en “armen” die toelaten de omgeving te voelen en te controleren.
MEMS-RF-schakelaar : de positie van de microbrug kan elektrostatisch worden gewijzigd om te verhinderen dat een radiofrequentiesignaal wordt doorgegeven
De micro-sensoren capteren informatie uit de omgeving door het meten van mechanische, thermische, biologische, chemische, optische en magnetische fenomenen. De elektronica verwerkt deze informatie en kan micro-actuatoren aansturen om te reageren op zijn omgeving - door te bewegen, te positioneren, te pompen, te filteren,…
© Sirris
pagina 60/79
MEMS vandaag en morgen Het domein van de MEMS, dat sterk opkwam in de jaren ’80, is nu volwassen geworden: miniatuur-motoren lijken al vanzelfsprekend. Sinds die tijd zijn er echt intrigerende produkten ontwikkeld – van digitale projectoren die miljoenen elektrisch aangedreven microspiegels bevatten tot micro-bewegingsdetectoren in auto’s om airbags in geval van nood te doen openplooien. Ze worden ook toegepast in inkjet printkoppen, als druksensoren en in optische communicatiesystemen. Het marktpotentieel is enorm en talrijke nieuwe toepassingen zullen de komende jaren het licht zien. Er bestaan echter bijna nog geen commerciële toepassingen van MEMS op nanoschaal. Dit staat in schril contrast met de evolutie van micro-elektronica naar nanoelektronica. De tijd is dan ook rijp voor een exploratie van nanoelektromechanische systemen (NEMS).
Van Micro- naar Nano-ElektroMechanische Systemen Nano-elektromechanische systemen (NEMS) zijn MEMS verkleind tot nanometer dimensies (1 nanometer = 1 nm = 1 miljoenste van een millimeter). Onderzoekers overal ter wereld verkennen deze NEMS. Hun verwachtingen zijn hooggespannen: machines, sensoren, computers and elektronika op nanoschaal.
De voordelen van NEMS Nanomechanische systemen maken het mogelijk extreem kleine verplaatsingen en krachten te meten. Nano-fabricatie leidt nu reeds tot NEMS met een gewicht van slechts enkele attogram (1 attogram = 1 miljardste van een miljardste gram) en met een doorsnede van 10 nanometer.
Een menselijk haar op een infraroodbolometer : de micro-elementen verwarmen onder invloed van de IR-stralen. De overeenkomstige verandering in de weerstand maakt het mogelijk om de straling te meten.
Zo’n massa en afmetingen geven NEMS een aantal unieke eigenschappen met een groot potentieel voor nieuwe experimenten en toepassingen :
© Sirris
NEMS sensoren worden ongelooflijk gevoelig: de uiterst kleine massa van hun vibrerende component maakt het mogelijk de aanwezigheid van slechts enkele atomen of molecules aan het oppervlak van de sensor te detecteren. pagina 61/79
Door die gevoeligheid kunnen NEMS-sensoren ook nano-krachten meten: de ademhaling van een mier zou voor deze sensoren lijken op een vernietigende orkaan.
Het vermogen dat deze NEMS verbruiken zou drie tot vier grootte-ordes lager liggen dan dat van hun voorgangers.
Uitdagingen voor NEMS In principe bestaat de technologie om NEMS te fabriceren. Er zijn echter nog belangrijke uitdagingen te overwinnen om het volledige potentieel van NEMS te kunnen realiseren:
NEMS zijn zeer klein en reageren op een afbuiging of een vibratie die nóg kleiner is. Een nano-balk van 10 nm zal verplaatsingen ondergaan van fracties van een nanometer. Signaal-omzetters die dit soort signalen snel en precies kunnen uitlezen, staan nog niet op punt.
Nanokraagligger met een kleine massa in goud van 50 nm. Deze NEMS-weegschaal maakt het mogelijk om te wegen in de orde van een attogram (1 attogram = een miljardste van een miljardste van een gram) – Cornell University
Bij het schalen van MEMS tot NEMS wordt hun werking steeds meer gedomineerd door oppervlakte-fysica: meer dan 90% van de atomen van een NEMS zitten tegen het oppervlak aan. Dit leidt tot vreemde fenomen en kan een optimale werking verstoren.
Het feit dat NEMS al gevoelig zijn aan de massa van een paar molecules, bemoeilijkt de reproduceerbaarheid van nanofabricatie .
Enkele toepassingen van NEMS Een veelbelovende toepassing is de magnetic resonance force microscopie (MRFM). Een beweegbare nanobalk met nanomagneet zou het mogelijk maken de kernspin van individuele protonen te meten en zo individuele biomoleculen af te beelden. Tienduizend keer beter dan de huidige resolutie van NMR-scanners, zou dit een enorme impact hebben op de moleculaire biologie. Verschillende laboratoria onderzoeken snelle logische poorten, schakelaars en zelfs computers die helemaal mechanisch zijn. Het idee van een mechanische computer dateert reeds van 1920, maar werd nooit realiteit door de opkomst van de digitale elektronica. Nu NEMS kunnen reageren op een tijdschaal van nanoseconden of minder, wordt een mechanische computer denkbaar. © Sirris
pagina 62/79
De toekomst In de volgende jaren zullen deze componenten ook in vele andere domeinen
geïntroduceerd worden en een essentiële bijdrage leveren tot het realiseren van een ‘intelligente omgeving’. Hierbij zullen overal rondom ons informatieapparaatjes ingebouwd worden, die de omgeving zullen controleren en regelen via intelligente nano-systemen. De verwachting op lange termijn is dat dergelijke complexe nano-mechanische componenten als het ware atoom per atoom zullen opgebouwd worden. Dan pas zullen we echt kunnen spreken over nanotechnologie. Ondertussen kunnen NEMS een cruciale rol spelen bij het aanreiken van de wetenschappelijke en technologische fundamenten voor deze nanotechnologie van de toekomst.
© Sirris
pagina 63/79
© Sirris
pagina 64/79
Toepassingen van Micro- en Nano-systemen Oktober 2007 Ch. Bruynseraede en E. Parton IMEC
De eerste siliciumrevolutie werd gekenmerkt door een verregaande miniaturisatie van geïntegreerde circuits (IC’s), waardoor micro-chips steeds krachtiger én tegelijkertijd goedkoper werden. Nu bevinden we ons midden in een tweede siliciumrevolutie, waarbij niet-elektrische functies op de chip geïntegreerd worden. Dergelijke “intelligente” microsystemen spelen reeds een prominente rol in IT en de automobielindustrie. De komende jaren zullen zij in toenemende mate ook andere domeinen veroveren. Toen de eerste computer zo’n 60 jaar geleden het levenslicht zag, was de industrie het er over eens dat hij waarschijnlijk nooit de huiskamer zou bereiken. Vandaag hebben de meeste gezinnen een PC. Dankzij de razendsnelle evolutie van microen nano-elektronica zal onze huiskamer de komende 20 jaar een nog grotere, meer onzichtbare metamorfose ondergaan. Het post-PC tijdperk zal zijn intrede doen met de zogenaamde "intelligente" omgeving. Overal rondom ons zullen informatie-apparaatjes ingebouwd worden. Miljoenen minuscule chips zullen zorgen voor de dagelijkse communicatie tussen allerlei toestellen: ze verkennen en controleren hun omgeving via intelligente micro- en nanosystemen. Deze ingebouwde intelligentie is niet zomaar een verre toekomstvisie. Verschillende microsystemen zijn vandaag reeds doorgedrongen in ons dagelijkse leven. In wat volgt belichten we het potentieel van deze micro– en nanosysteemtechnologie.
Energie scavenger rond de pols zet lichaamswarmte om in energie voor een draadloze sensor met zuurstofmeter – IMEC
© Sirris
pagina 65/79
In de vorige editie verkenden we de fascinerende wereld van MEMS en NEMS. Deze tekst illustreert hoezeer MEMS eigenlijk al doorgedrongen zijn in commerciële produkten in allerlei sectoren: sensoren voor air-bags, micro-spiegels, biosensoren, inkjetprinters,…
Wat zijn Microsystemen? Microsystemen zijn systemen met een grootte van hoogstens een paar millimeter, opgebouwd uit micro-of nanocomponenten die vele malen kleiner zijn. Zij combineren elektronica met technologieën uit andere domeinen tot een intelligent, geminiaturiseerd systeem. Een belangrijke tak van de intelligente microsystemen zijn MEMS (MicroElektroMechanische Systemen). Dit zijn complete systemen-op-chip waarin micromechanische componenten zoals micromotoren en membranen gecombineerd worden met micro-elektronische circuits. Dit is mogelijk omdat micromechanische strukturen vervaardigd kunnen worden met behulp van de materialen en de productieprocessen uit de micro-elektronica wereld. MEMS worden meestal in twee categorieën verdeeld – MEMS die informatie detecteren, microsensoren, en MEMS die kunnen antwoorden of handelen op die informatie, micro-actuatoren. De microsensoren capteren informatie uit de omgeving door het meten van mechanische, thermische, biologische, chemische, optische en magnetische fenomenen. De micro-elektronica op de chip verwerkt deze informatie en kan vervolgens micro-actuatoren aansturen om te reageren op zijn omgeving - door te communiceren, te bewegen, te pompen, te filteren,…
MEMS in opmars De eerste golf MEMS-produkten zoals druksensoren en versnellingsmeters zijn reeds sterk doorgedrongen in onze samenleving. Versnellingsmeters bijvoorbeeld zijn niet alleen te vinden in elke nieuwe auto maar tegenwoordig zelfs in tennisschoenen en computerspelletjes. Een greep uit enkele van de meest courante commerciële toepassingen van MEMS:
Bewegingsdetectoren in auto’s om een crash te detecteren en de airbags te activeren.
Druksensoren in autobanden om de bandenspanning te controleren.
Inkjet printkoppen om kwaliteit, kosten en snelheid van inkjet printers te verbeteren.
Digitale projectoren met miljoenen microspiegels die in respons op een elektrisch signaal in de juiste positie geplaatst worden en zo de projectie van een helder en duidelijk videobeeld realiseren.
Infraroodsensoren voor nachtvisie.
© Sirris
pagina 66/79
MEMS worden ook toegepast in draadloze communicatiesystemen, waarbij Radio Frekwentie (RF) – MEMS worden gebruikt om deze systemen te miniaturiseren. Het integreren van gyroscopen op een micro-chip voor spelconsoles en mobiele telefoons is een van de meer recente toepassingen van MEMS. Toestellen die gebruik maken van micro-brandstofcellen of energie scavenging, het genereren van energie uit mechanische trillingen of temperatuursverschillen, worden op de markt verwacht binnen de vijf jaar. Kortom, het marktpotentieel is enorm en talrijke nieuwe toepassingen zullen de komende jaren het licht zien.
En Nano-ElektroMechanische Systemen dan? Nano-elektromechanische systemen (NEMS) zijn MEMS verkleind tot nanometer dimensies (1 nanometer = 1 nm = 1 miljoenste van een millimeter). Omdat ze zo klein zijn en zo weinig wegen, kunnen nanomechanische systemen extreem kleine verplaatsingen en krachten meten. Hun massa-gevoeligheid maakt het bijvoorbeeld mogelijk de aanwezigheid van individuele molecules te detecteren. Nanomechanische trillingselementen kunnen daarenboven uiterst hoge frequenties aan. Ultralaag-vermogen elektromechanische signaalverwerking op microgolf frequenties ligt dan ook binnen handbereik.
Links: mierenpoot op een matrix van microspiegels – SCME Rechts: detail van de thermo-elektrische generator die lichaamswarmte omzet in energie voor een sensor. De generator bestaat uit 3500 thermokoppels - IMEC
Er bestaan echter nog altijd fundamentele en technologische uitdagingen voor signaaluitlezing en reproduceerbaarheid van NEMS. Deze hebben we in de vorige editie besproken. NEMS zullen dan ook pas hun opwachting maken vanaf 2015.
Veelbelovende toepassingen van NEMS Uiteindelijk zullen NEMS gebruikt worden in een brede waaier aan toepassingen. Zelfs in dit vroeg stadium is het duidelijk dat een van de belangrijkste domeinen de optomechanische en elektromechanische signaalverwerking in de VHF, UHF en microgolfbanden zal zijn. Daarenboven zijn de extreme kracht-en massagevoeligheid van NEMS zeer aantrekkelijk voor onderzoekers om fundamentele metingen van allerhande fenomenen te kunnen verrichten.
© Sirris
pagina 67/79
NEMS zouden ook magnetic resonance force microscopie mogelijk maken, waarbij nanobalkjes uitgerust met nano-magneetjes in staat zouden zijn een 3D-beeld te maken van individuele biomolecules. De impact hiervan op domeinen zoals de moleculaire biologie kan eigenlijk niet overschat worden. NEMS zouden zo een krachtig instrument kunnen bieden voor de detectie van bio-gevaren, voor drug screening, en voor medische diagnostiek – dit alles met de gevoeligheid tot op het niveau van één enkele molecule.
Links: microspiegel vastgemaakt aan twee microscharnieren - IMEC Rechts: microgyroscoop geïntegreerd in een microchip - IMEC
Besluit Naast de gekende evolutie van IC’s naar doorgedreven miniaturisatie zien we nu een parallelle evolutie naar integratie van niet-elektrische functionaliteiten op de chip. In sectoren zoals de automobielindustrie hebben deze microsystemen reeds een prominente rol ingenomen. In de nabije toekomst zullen deze componenten ook in vele andere domeinen geïntroduceerd worden en een essentiële bijdrage leveren tot het realiseren van de "intelligente omgeving". Nano-mechanische systemen, aan de andere kant, openen de poort naar het meten en manipuleren van fenomenen en objecten op nano-schaal. Dit kan niet anders dan leiden tot talrijke nieuwe toepassingen. Uiteindelijk zullen NEMS de technologische fundering leveren van echte nanotechnologie, waarbij nanocomponenten atoom per atoom opgebouwd worden.
© Sirris
pagina 68/79
XenICs: “Partnering Your Infrared Solution”
Thermisch infraroodbeeld van een printed circuit board in een computer – XenICs
XenICs is een in Europa toonaangevende ontwikkelaar en producent van infrarood detectoren en camera’s voor industriële en ruimtevaarttoepassingen. Deze Vlaamse KMO bestaat sinds 2000 en is een spin-off van IMEC, het in Leuven gevestigde onderzoekscentrum voor nano-elektronica en nanotechnologie. Sinds zijn oprichting heeft XenICs een indrukwekkend groeiparcours afgelegd en worden zijn infrarood beeldsensoren onder meer aangewend voor nachtvisie-systemen, thermische beeldvorming en industriële proces-en kwaliteitscontrole. Met zijn 22 medewerkers is XenICs, een exportgericht bedrijf dat 99% procent van zijn omzet in het buitenland realiseert, er de laatste jaren telkens in geslaagd de omzet te verdubbelen. De huidige groei is mee te danken aan XenICs' succesproduct, een ongekoelde indiumgalliumarsenide (InGaAs)-detector, die gebruikt wordt voor infrarood-spectroscopie, beeldvorming en contactloze temperatuursmetingen. Daarnaast ontwikkelt XenICs ook thermische infraroodcamera’s op basis van indiumantimonide (InSb) detectoren en ongekoelde bolometers. Infrarode bolometers bestaan uit thermisch geïsoleerde micro-bruggen, waarop een temperatuursgevoelig materiaal gedeponeerd wordt. Deze elementjes warmen op onder invloed van infraroodstraling. De corresponderende weerstandsverandering is dan een maat voor de invallende straling. Door die micro-bruggen rechtstreeks bovenop een micro-chip te fabriceren, kan een elektrische weerstandsverandering gemakkelijk uitgelezen en omgerekend worden. De sterke positie van XenICs in Europa wordt mooi geïllustreerd in een recent project voor de ontwikkeling van een enhanced vision system voor de nieuwe Airbus A380. De combinatie van InGaAs- en thermische infrarooddetectoren in één systeem laat hierbij toe lampen langs een landingsbaan beter te visualiseren en door mist heen te kijken. Omdat deze detectoren daarenboven ongekoeld kunnen werken, verwacht XenICs uiteindelijk een visie-systeem te kunnen ontwikkelen dat veel goedkoper is dan bestaande systemen die gebruik maken van gekoelde detectoren.
© Sirris
pagina 69/79
Nachtopname met een thermische infraroodcamera – XenICs
http://www.xenics.be
© Sirris
pagina 70/79
Nanotechnologie op je bord November 2007 S. Paulussen VITO
Nanotechnologie omvat de manipulatie en productie van materialen of producten op de nano-schaal met electronica, materiaaltechnologie en biowetenschappen zoals farmacie en geneeskunde, als belangrijkste toepassingsgebieden. Daarnaast heeft nanotechnologie ook het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de voedselketen. Nieuwe agrarische en voedseltechnische ontwikkelingen op het vlak van voedselveiligheid, verpakkingsmaterialen, micro-en nanoschaal procesvoering en productontwikkeling vormen de belangrijkste domeinen waaraan nanotechnologie een bijdrage kan leveren. De steeds hogere eisen die consumenten stellen aan hun voedsel zijn een stimulans voor folieproducenten bij de ontwikkeling van intelligente verpakkingsmaterialen die de houdbaarheid van levensmiddelen optimaliseren. Dergelijke verpakkingensystemen zouden in staat moeten zijn om kleine defecten te herstellen, te anticiperen op omgevingsfactoren zoals temperatuur en luchtvochtigheid of de consument te waarschuwen in geval van contaminatie. Nanotechnologie kan hier een oplossing bieden door het wijzigen van de permeabiliteit van folies, door de barrière-eigenschappen te verbeteren (mechanisch, thermisch, chemisch en microbieel) of door de ontwikkeling van antimicrobiële materialen. Daarnaast wordt gewerkt aan de ontwikkeling van materialen die microbiologische of biochemische wijzigingen in levensmiddelen kunnen detecteren.
Dankzij nanotechnologieën zal de consument zijn eten kunnen aanpassen aan zijn smaak en zijn voedingsbehoeften.
Zo werkt Kraft Foods samen met de Rutgers University in de US aan een “elektronische tong” die ingebouwd kan worden in verpakkingen. Dit systeem bestaat uit een reeks van nanosensoren die extreem gevoelig zijn voor de gassen die vrijkomen wanneer voedsel bederft en die een indicatie kunnen geven of het voedsel in de verpakking al dan niet vers is. © Sirris
pagina 71/79
Bayer Polymers heeft een verpakkingsfolie ontwikkeld (Durethan) die lichter, sterker en meer hittebestendig is dan bestaande verpakkingsmaterialen. Het nieuwe materiaal kan omschreven worden als een hybride systeem dat verrijkt is met een enorm aantal silicaat-achtige nanopartikels. Dit materiaal verhindert het uitdrogen van de verpakte levensmiddelen en de penetratie van zuurstof en andere gassen uit de omgeving, wat het bederven van levensmiddelen drastisch beperkt. Andere voorbeelden zijn plastic bierverpakkingen die niet reageren met hun inhoud en die verlies van CO2 beperken waardoor ze gekenmerkt worden door een vergelijkbare houdbaarheid als glazen bierflesjes. Wat voedselveiligheid betreft is onderzoek en ontwikkeling vooral gericht op de snelle detectie van contaminanten, pathogenen of toxines in voedsel. Vaak duurt de bepaling van de aard van een contaminant meerdere dagen en veel onderzoek is daarom gericht op de versnelling van de analyse bijvoorbeeld door de ontwikkeling van draagbare nanosensoren 1 of veelzijdige en goedkope diagnostische tools 2 . Zo heeft AgroMicron een NanoBioluminiscnece Detection Spray ontwikkeld die een luminescente proteïne bevat dat bindt aan de celwand van bacteriën zoals Salmonella of E. coli. Wanneer een dergelijke binding optreedt, straalt het proteïne zichtbaar licht uit wat een snelle detectie van bacteriële contaminatie toelaat.
Een rooster van polysacchariden, of suikers (a) en een rooster van proteïnen op basis van gelatine (b)
Een toepassing waarbij nanotechnologie aangewend wordt voor het monitoren van de voedselketen is de zogenaamde Radio Frequency Identification (RFID). Deze technologie werd meer dan 50 jaar geleden ontwikkeld voor militaire doeleinden en maakt gebruik van micro-processoren en antennes die signalen kunnen versturen naar een draadloze ontvanger. Op die manier zouden levensmiddelen gevolgd kunnen worden van de fabriek tot in het bord van de consument. In tegenstelling tot barcodes, vragen RFID-tags geen manuele uitlezing met een scanner, maar kunnen ze van op afstand gevolgd worden en bovendien kunnen honderden signalen per seconde uitgelezen worden. Grote supermarktketen zoals Wal-Mart, Home Depot en Tesco verrichten onderzoek naar deze technologie. Het belangrijkste nadeel tot op heden is de verhoogde productiekost door de silicium technologie die nodig is voor de inbouw van de sensoren. Door de combinatie van nanotechnologie en elektronica zouden RFIDtags in de nabije toekomst aanzienlijk in prijs kunnen dalen wat hun implementatie zou vereenvoudigen.
1 2
http://www.goodfood-project.com http://www.biofinger.org
© Sirris
pagina 72/79
Productontwikkeling op het vlak van levensmiddelen is nauw verbonden met de nieuwe verwezenlijkingen in micro- en nanoschaal procesvoering. Zo heeft nanotechnologie een belangrijke impact op de ontwikkeling van interactief of functioneel voedsel, ook wel “on demand” voedsel genoemd, dat de consument de mogelijkheid biedt om zijn voedsel aan te passen aan zijn nutritionele behoeften of smaak, of dat bouwstoffen meer efficiënt op hun bestemming brengt. Dit concept is gebaseerd op de aanwezigheid van duizenden nanocapsules die onder andere kleurstoffen, smaakstoffen of essentiële voedingselementen zoals vitaminen kunnen bevatten, en die enkel worden vrijgegeven op vraag van de consument 3 . Daarnaast kunnen nano-deeltjes toegevoegd worden aan bestaande producten om zo de opname van bouwstoffen door het lichaam te bevorderen. Het Israëlische bedrijf Nutralease gebruikt micellen met een diameter van ongeveer 30 nm om nutriënten in het lichaam te vervoeren. Door hun afmetingen kunnen de micellen zich gemakkelijker vanuit de darm naar de bloedsomloop begeven om zo hun inhoud meer efficiënt op de juiste bestemming te brengen. Producten bereid op basis van deze technologie zijn reeds commercieel verkrijgbaar o.a. met een cholesterol verlagende werking (Shemen Industries). Een van de belangrijkste bakkerijen in Australië voegt nanocapsules met visolie (een bron van omega-3 vetzuren) toe aan hun meest verkochte product “Tip-Top” Up brood. De nanocapsules zijn zo ontworpen dat ze enkel openbreken wanneer ze de maag bereiken zodat de onaangename smaak van visolie vermeden wordt. Kraft Foods heeft een consortium samengesteld dat onderzoek verricht naar mogelijke toepassingen van nanotechnologie bij de ontwikkeling van interactief voedsel. Deze groep heeft de intentie om intelligent voedsel te ontwikkelen dat nutriënten vrijgeeft wanneer nanosensoren bepaalde tekorten detecteren bij de consument. Samengevat kan gesteld worden dat het concept van interactief voedsel enkele belangrijke voordelen met zich kan meebrengen voor de consument zoals meer energie, betere cognitieve functies, een verbeterde werking van het immuunsysteem en een vertraagde veroudering. Met een enigszins andere strategie werkt Unilever aan de ontwikkeling van vetarm roomijs door de vermindering in afmeting van de emulsiepartikels die verantwoordelijk zijn voor de textuur van roomijs. Op die manier hoopt Unilever de hoeveelheid vet in roomijs te verminderen van 16% tot niet meer dan 1% 4 . Tenslotte wordt het in de verre toekomst misschien mogelijk om voedsel te produceren vertrekkende van atomen en moleculen, ook “Molecular Food Manufacturing” genoemd. Hoewel reeds enkele groepen actief zijn in dit domein wordt tot nog toe vooral een “top-down” aanpak toegepast, waarbij gewerkt wordt met cellen in plaats van moleculen. Niettegenstaande de enorme inspanningen die nodig zullen zijn bij de ontwikkeling van deze technologie, biedt ze de mogelijkheid om op een meer efficiënte en duurzame manier voedsel te produceren met een hogere kwaliteit zonder gebruik te maken van mogelijke schaarse grondstoffen.
3 4
John Dunn, “A mini revolution”, Food Manufacture, September 1, 2004. How super-cows and nanotechnology will make ice cream healthy, Daily Telegraph (21/08/2005)
© Sirris
pagina 73/79
Ondanks het feit dat nanotechnologie ontegensprekelijk een positieve invloed kan hebben op de voedselketen in het algemeen en de voedselveiligheid in het bijzonder, is waakzaamheid geboden wat de gezondheidsaspecten van nanopartikels betreft. De manipulatie van levensmiddelen door middel van nanotechnologie heeft het potentieel om dezelfde controverse teweeg te brengen bij de consument als genetische gewasmanipulatie, zolang wetenschappelijke evidentie ontbreekt over het al dan niet schadelijke effect van nano-deeltjes op de gezondheid. Meer onderzoek is vereist en de wetgeving dient overeenkomstig de bekomen resultaten aangepast te worden. Op dit ogenblik ontbreekt alle wetgeving en zijn voedselproducenten niet verplicht om de aanwezigheid van nanopartikels in hun producten te vermelden op de verpakking. In eerste instantie lijkt het invoeren van een verplichte veiligheidsevaluatie voor marktintroductie aangewezen.
© Sirris
pagina 74/79
Nanotechnologie, hoe staat het er nu mee? December 2007 F. Monfort-Windels Sirris
Nanotechnologie heeft een enorm potentieel. Experten geloven dat ze de motor kan zijn van nieuwe economische ontwikkeling, net zoals de informatica dat was enkele tientallen jaren geleden. Nanotechnologie zou oplossingen kunnen aanreiken voor actuele problemen op het gebied van energievoorziening, milieu, mobiliteit of gezondheidszorg. Waar gedurende jaren studies en publicaties gericht waren op de wetenschappelijke aspecten van nanotechnologie, ligt vandaag het accent eerder op technologische aspecten en de commercialisatie van produkten. Onze serie artikelen « Kleine technologie, grote resultaat” heeft duidelijk gemaakt dat de buitengewone eigenschappen van nanomaterialen reeds benut worden in tal van domeinen, en dat veel andere toepassingen dicht bij finalisatie en commercialisatie staan.
Drempels Voorspellers mogen het dan al eens zijn over de schitterende toekomst van nanotechnologie, toch hebben ze nog geen duidelijk zicht op de draagwijdte noch de snelheid van deze technologische revolutie. Eigenlijk doen industriële produkten zelfs trager dan verwacht hun intrede op de markt. De hinderpalen zijn immers talrijk; technologische obstakels vormen hierbij slechts een deel van de remmen op de ontwikkeling. Een van de voornaamste struikelblokken is de huidige en toekomstige regelgeving. Een gebrek aan duidelijkheid, in combinatie met onzekerheid over veiligheid, hygiëne en milieu remt industriële ontwikkelingen af. Er rijzen meer en meer vragen over de potentieel nefaste effecten van nanomaterialen. Wegens hun minuscule afmetingen hebben nanodeeltjes immers dezelfde schaal als proteïnes en celdeeltjes. Ze zouden dan ook kunnen ontsnappen aan de natuurlijke verdedigingsmechanismen van de mens en zo levende cellen beschadigen. De wetenschappelijke wereld heeft zich toegelegd op de studie van de potentiële impact van nanomaterialen op het milieu en op de gezondheid van de mens. Zo stelt Nanotexico, de excellentiepool van de Faculteit Notre-Dame de la Paix in Namen (FUNDP), in-vitro en in-vivo modellen op punt die toelaten de mogelijke toxiciteit van nanodeeltjes te evalueren. De resultaten van deze inspanningen zijn nog onvolledig en fragmentarisch en het voorzorgsbeginsel dringt zich op om blootstelling te beperken: het is alvast duidelijk dat er moet rekening gehouden worden met het bijzondere karakter van nanomaterialen. Het grootste deel van de industrie wendt nochtans geen pure nanodeeltjes aan maar veeleer samenstellingen en composieten van nanodeeltjes. In het algemeen komen eindgebruikers dan ook alleen maar contact met ingekapselde nanodeeltjes.
© Sirris
pagina 75/79
De tweede drempel is een zeker onbehagen bij het grote publiek, dat in het algemeen slecht geïnformeerd is over nanotechnologie. Eenzelfde vaststelling dringt zich overigens op voor andere sectoren zoals de biotechnologie. De industrie is zich hiervan bewust en houdt er rekening mee in zijn marketing. Tal van inspanningen worden geleverd om het grote publiek te informeren over de "nanowereld"; deze inspanningen moeten nog uitgebreid worden. In Europa rijst er een derde probleem: de lage graad van investeringen en risicokapitaal. Europa besteedt slechts 3.5% van zijn activiteiten aan het nanotechnologie - marktsegment, de helft minder dan Japan en de VS. Ondernemingen en universiteiten klagen ook over een gebrek aan personeel dat geschoold is in nanotechnologie. Het onderwijs zal op alle niveau’s moeten aangepast worden. Een andere rem op de ontwikkeling van nanotechnologie is het IP landschap : een onvoldoende aantal patenten in bepaalde domeinen, een wirwar aan patenten op andere domeinen… Kortom, veel ondernemingen vragen zich af hoe nanotechnologie nieuwe produkten kan opleveren en welke niche-markten hiervoor open staan. Eigenlijk zijn deze markten nog onvoldoende gedefinieerd. Om samen te vatten: iedereen weet dat nanotechnologie-trein eraan komt maar niemand weet juist hoe erop te springen.
Onderzoeks-programma’s Nochtans wordt er actie ondernomen en wordt er publieke financiele steun vrijgemaakt. Het 7de Europese Kader Programma bijvoorbeeld, voorziet een toekenning van 3.5 miljard € voor nano-gerelateerde activiteiten. Het veelzijdige karakter van nanotechnologie noopt tot het opzetten van multidisciplinaire teams. Zo groepeert in Vlaanderen het Flanders Nanobusiness Alliance (FNBA) vier strategische onderzoekscentra : IMEC, VITO, IBBT en het Vlaams Instituut voor Biotechnologie. De Universiteit Antwerpen coördineert de onderzoeksactiviteiten van 200 vorsers van diverse universiteiten naar quantumeffecten in nanodeeltjes en nanodraden. In Wallonië organiseert Nanotic, een multidisciplinair centrum aan de UCL, zich rondom onderzoek naar nanosensoren, draadloze communicatie, moleculaire diagnostiek, laag-vermogen elektronica, signaalverwerking… Aan de ULg bestudeert een platform dat chemici en fysici groepeert de groei en karakterisatie van nanostrukturen, bijvoorbeeld voor moleculaire logica of biomedische toepassingen van magnetische nanodeeltjes. Naast deze programma-platformen zijn talrijke universitaire diensten betrokken bij onderzoeksprogramma’s naar verschillende aspecten van nanotechnologie en nanomaterialen.
© Sirris
pagina 76/79
Onderzoekscentra Alle onderzoekscentra zijn betrokken bij nanotechnologie-programma’s, waarbij elk centrum actief is in een ander competentiedomein: Materia Nova, Centexbel, CoRI, CTP, CRIBC… We brengen hier in enkele lijnen de activiteiten in herinnering van de centra die meegewerkt hebben aan deze serie van artikelen "Kleine technologie met grote resultaten". IMEC is betrokken bij onderzoek naar de toepassing van koolstof-nanobuisjes, nanodraden en gefunctionaliseerde nanodeeltjes in de nano-elektronica. Nanodeeltjes bijvoorbeeld komen in beeld bij het ontwerp van biosensoren voor de detectie van biologische of chemische molecules. Het centrum bestudeert ook geavanceerde concepten gebaseerd op nanoschaal quantum-effecten, zoals spintronica en quantum-dots, voor hun toepassingen in informatie-technologieën. VITO is actief op milieugebied. Ze bestudeert bijvoorbeeld het gebruik van ijzer nanopoeders voor de zuivering van oppervlaktewaters. Haar expertise in de analyse van lucht en rook wordt aangewend voor de detectie en meting van nanodeeltjes. Het centrum ontwikkelt ook multifunctionele nanogestruktureerde deklagen d.m.v. koude-plasma technieken en nanogestruktureerde keramieken voor toepassingen zoals nano-filtratie, katalysatoren of weefseltechnologie. Sirris (het vroegere WTCM-CRIF) beschikt over een synthese-installatie voor nanopoeders m.b.v. een atmosferische plasma techniek. Deze installatie laat toe oxides, carbides, nitrides, pure metalen… te fabriceren in voldoende hoeveelheden om industriële haalbaarheidsstudies te verrichten. Verscheidene ondernemingen evalueren op dit moment de impact van de introductie van deze nanopoeders in hun produkten. Gelet op het voorzorgsbeginsel vermeld hierboven, heeft het Centrum expertise ontwikkeld rond veilige manipulatie van nanopoeders. Het werkt ook aan de fabricatie en karakterisatie van nanokomposieten (met nanobuisjes of nanoklei) in kunststoffen en aan het op punt stellen van produkten op basis van nanobuisjes of nanodeeltjes.
Produktie van nanopoeders bij Sirris
© Sirris
pagina 77/79
Het Nanotech project van het Marschall plan voorziet in de creatie van een horizontale keten van nanopoeder-fabricatie in de Waalse regio, van de constructie van produktie-installaties tot het gebruik van nanodeeltjes in produkten. Het groepeert 3 onderzoekseenheden (waaronder Sirris) en 8 bedrijven. Het project legt zich toe op modellering, ontwerp en fabricatie van plasmasynthese-eenheden en op de realisatie van 3 industriële demonstratieprojecten met afgewerkte produkten.
Belgische bedrijven Zelfs indien België geen leider is in nanotechnologie, zijn haar bedrijven toch meer en meer aanwezig in het " nano"- landschap. De firma Nanocyl is opgericht in 2002 op basis van onderzoeksresultaten aan de ULg en de FUNDP. Ze investeert in produktie-uitrusting, laboratoria en procesontwikkeling voor de produktie van commerciële hoeveelheden koolstof nanobuisjes d.m.v. katalytische depositie van koolstof in de gasfaze. Sinds oktober 2007 laat een nieuwe installatie toe deze te produceren op industriële schaal. Nanocyl is dan ook de grootste producent van koolstof-nanobuisjes in Europa geworden. De onderneming heeft daarenboven een specifieke expertise ontwikkeld in de functionalisatie van zijn produkten; hierdoor worden ze compatibel met andere materialen.
Koolstof-nanobuisjes in industriële produktie bij Nanocyl
Umicore produceert metallische of oxide-nanopoeders. Zo worden TiO2 of ZnO nanodeeltjes toegepast in cosmetica of kunststoffen voor hun UV-werende eigenschappen. CeO2 is een polijst-schuurmiddel. Nano-zilver wordt gebruikt als geleider in de elektronica en wordt ingebracht in textiel of polymeren voor zijn antibacteriële eigenschappen. © Sirris
pagina 78/79
Bekaert Advanced Materials produceert deklagen van amorf DLC koolstof (Diamon-Like Carbon) en nanokomposieten met grote hardheid en met verhoogde tribologische eigenschappen. De firma levert toepassingen voor de elektronica-markt, anti-slijtage deklagen voor diverse industrieën, machinecoatings voor de kunststoffen-industrie… Nanoxid, van de groep Matrio, is een jonge onderneming actief in deklagen en dunne hybride organo-inorganische lagen voor aluminium of inox. Deze “lakken” combineren de hardheid en transparantie van glas met de voordelen van organische lagen. Nanodeeltjes maken het mogelijk nieuwe functionaliteiten toe te voegen aan oppervlakken. Zo maakt een van die behandelingen metaal vingerafdruk-bestendig met behoud van haar originele uiterlijk en aanvoelen. Ook zijn nieuwe kleureffecten realiseerbaar. Dit opent nieuwe perspectieven voor bijvoorbeeld de sector van de elektrische huishoud-apparatuur. Tal van grote ondernemingen zijn op een of andere manier reeds betrokken bij nanotechnologie : Solvay, UCB, Arcelor, Lhoist, AGC Flat Glass Europe (Glaverbel)… Maar ook vele KMO’s tonen interesse en beginnen het nut van nanotechnologie voor hun produkten te evalueren. Deze ontwikkelingen zijn voor het grootste deel vertrouwelijk van aard.
Bij wijze van besluit Nanotechnologie verlaat de laboratoria en doet zijn intrede in de bedrijfswereld. Ze zal op een duurzame wijze de mondiale groei stimuleren in de volgende 15-20 jaar. Ze betekent een wetenschappelijke, economische, industriële en zelfs sociale revolutie en belangt alle sectoren aan: biotechnologie, medische sector, auto, energie, ICT en elektronica, materialen… België is echt wel aanwezig op het terrein en interessante programma’s ter aanmoediging van de samenwerking tussen de onderzoekswereld en de industriële wereld worden opgezet. Bedrijven gaan de nanotechnologie-uitdaging aan.
© Sirris
pagina 79/79
