Degussa: Feinste Partikel aus dem Laserverdampfungsreaktor

Vor rund zweieinhalb Jahren sind die Wissenschaftler des Degussa-Projekthauses Nanomaterialien ausgezogen, um neue Wege zur Herstellung von Nanomaterialien zu erkunden. Ein Ergebnis ihrer Forschung steht im Industriepark Wolfgang. Ein in der Welt bislang einzigartiger Laserverdampfungsreaktor. Er macht möglich, was Standard-Gasphasenprozesse nicht leisten können – die Verwandlung von grobteiligen Metalloxiden und keramischen Stoffen mit extrem hohen Verdampfungstemperaturen in Nanopulver, die unter anderem in der Elektronikbranche von Interesse sein könnten.

Nach durchgängiger Expertenmeinung zählt die Nanotechnologie zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Doch dieses vermeintlich junge Gebiet ist älter, als gemeinhin vermutet wird. Beispiel Degussa: Die Herstellung extrem feinteiliger Pulver gehört seit vielen Jahren zum Repertoire – mit Erfolg: Degussa ist weltweit führender Anbieter von pyrogener Kieselsäure (Aerosil ) und die Nummer zwei bei Carbon Black (Industrieruß). Aerosil wird in der Flamme hergestellt und ist dadurch noch feinteiliger als Kieselsäure, die durch Fällung erzeugt wird. Carbon Black ist vor allem in der Reifenherstellung, aber auch als Pigment in vielen Anwendungen ein unverzichtbarer Bestandteil.

Diese langjährige Erfahrung war die Grundlage des Projekthauses Nanomaterialien, ein für die chemische Industrie bisher neuartiges strategisches Forschungsprojekt.

Die gewünschten Nanomaterialien werden grundsätzlich in der Gasphase bei Temperaturen bis zu 10.000°C hergestellt. Um bestmögliche Prozesse zu realisieren, experimentiert Degussa mit verschiedenen Gasphasen-Reaktoren. Die Art des Reaktors und seine Rahmenbedingungen entscheiden über Größe und Form der Partikel und damit über ihre Eigenschaften, die völlig neue Anwendungen und Märkte erschließen. Pigmente, multifunktionelle Füllstoffe, keramische und metallische Werkstoffe sowie Sensoren gehören ebenso dazu wie Katalysatoren, Kondensatoren, Gläser und Lacke. Die Märkte für nanoskalige Pulver wachsen bereits heute im zweistelligen Bereich.

Degussa setzt auf Gasphasen-Reaktionen

Gasphasen-Synthesen sind eine weit verbreitete Methode zur Herstellung einer großen Palette von Nanopartikeln. Dafür kommen verschiedene Gasphasen-Reaktoren vom Flammen-, Heißwand- oder Plasmatyp zu Einsatz. In Kooperation mit der DFG und der Universität Jena hat Degussa darüber hinaus einen neuartigen Laserverdampfungsreaktor entwickelt, der weltweit bislang einmalig ist. Er beruht auf einem ursprünglichen Ansatz aus Jena und wurde auf einen halbtechnischen Maßstab hochskaliert. Das System besteht aus drei CO₂-Lasern, von denen jeder eine Leistung von zwei Kilowatt bei einer Wellenlänge von 10,59 Mikrometern aufweist, einer Reaktionskammer sowie einer Vorrichtung, um die erzeugten Nanopartikel abzutrennen.

Die Laserstrahlen werden in der Reaktionskammer fokussiert, so dass eine Energiedichte von sechs Kilowatt in einem Volumen von wenigen Kubikmillimetern entsteht. Hier, im Zentrum der Kammer, wird das Material in einem Wirbelbett durch einen Gasstrom fluidisiert. Im Regelfall handelt es sich bei den Ausgangsstoffen um grobteiliges Metalloxid-Pulver, das dann von der gebündelten Laserenergie verdampft wird.. Aus der Dampfphase kondensiert es anschließend als nanoskaliges Pulver, das mit Hilfe herkömmlicher Filtrationsverfahren abgeschieden wird.

Durch die hohe Leistung der Laser lässt sich eine große Bandbreite an Ausgangsmaterialien einsetzen, selbst solche mit hohen Verdampfungstemperaturen. Dazu zählen im Allgemeinen keramische Stoffe und Metalloxide, die als Precursor für die Synthese von Nanopulvern über Standard-Gasphasenprozesse nicht verwendet werden können. Aufgrund der raschen Abkühlung außerhalb der Fokuszone der Laser unterscheidet sich die Morphologie der lasersynthetisierten Partikeln deutlich von der typischer pyrogener Oxide. Das zeigt sich vor allem daran, dass die Partikeln zu einem viel größeren Teil deutlich weniger aggregiert sind als beispielsweise Aerosil. Das eröffnet ein weites Feld potentieller Anwendungsmöglichkeiten.

Reaktor wird auf Industrietauglichkeit getestet

Diese müssen aber eher im hochpreisigen Segment angesiedelt sein, weil das Verfahren im Vergleich zu anderen relativ aufwändig und dadurch teuer ist. Ein mögliches Einsatzgebiet vor diesem Hintergrund könnte die Elektronik sein. Da sich die Laserverdampfungsmethode noch im Status der Grundlagenforschung befindet, stehen konkrete Anwendungen noch nicht im Fokus der Überlegungen. Die vorhandene Apparatur wird derzeit auf ihre Industrietauglichkeit hin getestet. Je nach Bedarf an den damit produzierten Nanopartikeln kann der Reaktor entweder durch zusätzliche Laser noch leistungsstärker gemacht oder eine zweite Anlage parallel errichtet werden.

Hintergrund

Die Nanotechnologie beschäftigt sich mit Materialien, die in mindestens einer Dimension zwischen einem und hundert Nanometer messen. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters.

Nanopartikel erfüllen diese Vorgabe sogar in allen drei Dimensionen. Sie sind bis zu 50.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines Haares. Das Besondere dabei: Wenn Materialien aus Nanoteilchen bestehen, können sie völlig andere Eigenschaften aufweisen, weil ihre Oberfläche im Verhältnis zum Volumen riesig ist.

Schon im Mittelalter wendeten Glashersteller, ohne es zu ahnen, die Nanotechnik an. Um das Glas für Kirchenfenster rot zu färben, schmolzen sie mit dem Glas winzige Goldmengen ein. Dadurch erzeugten sie winzige Goldpartikel mit einem Durchmesser zwischen 5 und 30 Nanometer. In diesem Größenbereich ändert sich die Eigenschaft des Goldes. Es verliert seinen metallischen Charakter. Der Effekt: Statt goldgelb leuchten die Kirchenfenster rubinrot.

Ende des 20. Jahrhunderts gelang es, Nanopartikel mit bestimmten Eigenschaften gezielt herzustellen. Eine Anwendung sind zum Beispiel Kunststoffbrillengläser, die nicht verkratzen. Auch in der Medizin wird auf dem Gebiet der Nanotechnologie geforscht, so zum Beispiel bei der Krebsbehandlung.