Bei den Kohlenstoffpartikeln Graphen, Graphan und Fulleren handelt es sich um relativ neue Materialien. Aufgrund ihrer zum Teil herausragenden Werkstoffeigenschaften werden mögliche Einsatzfelder zurzeit aufmerksam untersucht und erforscht. Es existieren vor allem in der Sportartikelindustrie bereits Produkte, bei denen Kohlenstoffpartikel als Legierungszusätze verwendet werden. Dort führt ihre Einsatz zu einer Verbesserung von Materialeigenschaften wie beispielsweise einer hohen Elastizität bei einer gleichzeitigen Gewichtsreduzierung.
Darüber hinaus bestehen bereits mehrere verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für Kohlenstoffpartikel in der Industrie. Allerdings haben diese bisher meist Prototypencharakter und stehen von einem Übergang in die Serienproduktion noch relativ weit entfernt. Für eine Herstellung von Serienprodukten mangelt es in vielen Fällen noch an geeignete Verarbeitungsverfahren, teilweise bedingt durch die geringe Teilchengröße der Ausgangsmaterialen.
Der Anspruch dieser Studienarbeit ist es, Verwendungsmöglichkeiten für diese neuartigen Kohlenstoffpartikel zusammenzutragen und zu bewerten. Um die Eigenschaften der Kohlenstoffpartikel genauer beschreiben zu können müssen zuerst die grundlegenden Werkstoffeigenschaften und der atomare Aufbau der Kohlenstoffpartikel und ihres Ausgangsstoffes, Kohlenstoff, genauer noch Graphit, erarbeitet werden. Danach sollen die Herstellungsverfahren für diese Stoffe und deren mittelfriste Verfügbarkeit beleuchtet werden. Basierend auf den dadurch erarbeiteten Ergebnissen sollen die jeweils realisierbaren Anwendungen der Kohlenstoffpartikel näher untersucht werden. Abschließend gilt es, Prognosen für die Übertragbarkeit der bisher experimentell erforschten Verwendungsmöglichkeiten in die Serienproduktion aufzustellen und diese auf fachlicher Ebene zu begründen. Mit einem abschließenden Ausblick über das Potential von Kohlenstoffpartikel als Universalwerkstoffe und einer Abschätzung über zukünftige Entwicklungen auf diesem Stoffgebiet soll diese Studienarbeit ihren Abschluss finden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Fraunhofer-Gesellschaft
1.2 Aufgabenstellung
2. Kohlenstoff und seine Allotrope
2.1 Grundlage der verschiedenen Modifikationen des Kohlenstoffs
2.2 Acetylen (sp- Hybridisierung)
2.3 Graphit (sp²- Hybridisierung)
2.4 Diamant (sp³- Hybridisierung)
3. Neuartig Kohlenstoffpartikel
3.1 Fulleren
3.1.1 Aufbau
3.1.2 Herstellung von Fullerenen
3.1.3 Verwendungsmöglichkeiten von Fullerenen
3.1.3.1 Einsatz als Radikalfänger in Anti-Aging Produkten
3.1.3.2 Einsatz als Ausgangsstoff zur künstlichen Diamantherstellung
3.1.3.3 Einsatz als Schmiermittel
3.1.3.4 Einsatz zur Synthese von Molekülformen in der Medizin
3.1.3.5 Einsatz zur Herstellung von organischen Solarzellen
3.1.3.6 Einsatz in der Elektroindustrie als Supraleiter
3.1.3.7 Einsatz als Füllstoff für Polymere und als Verbundsstoff
3.1.4 Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit
3.2 Graphen
3.2.1 Aufbau von Graphen
3.2.2 Herstellung von Graphen
3.2.2.1 Mechanische Herstellung von Graphen
3.2.2.2 Herstellung von Graphen durch epitaktisches Wachstum
3.2.2.3 Herstellung von Graphen durch chemische Exfoliation
3.2.3 Verwendungsmöglichkeiten von Graphen
3.2.3.1 Einsatz als Halbleiter in Transistoren
3.2.3.2 Einsatz von Graphen in der Sensorelektronik
3.2.3.3 Einsatz als Verbundwerkstoff
3.2.4 Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit
3.3 Graphan
3.3.1 Aufbau von Graphan
3.3.2 Herstellung von Graphan
3.3.3 Einsatz von Graphan
3.3.3.1 Einsatz als elektrischer Leiter und Halbleiter
3.3.3.2 Einsatz als Wasserstoffspeicher in Brennstoffzelle
3.3.4 Bewertung der Einsatzmöglichkeiten und der mittelfr. Verfügbarkeit
4. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Studienarbeit ist die Erfassung und Bewertung potenzieller industrieller Anwendungsmöglichkeiten für neuartige Kohlenstoffpartikel wie Fulleren, Graphen und Graphan. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Analyse der Materialeigenschaften, der bestehenden sowie zukünftigen Herstellungsverfahren und einer fundierten Prognose bezüglich der mittelfristigen Verfügbarkeit und industriellen Umsetzbarkeit.
- Analyse der atomaren Struktur und Basiseigenschaften von Fullerenen, Graphen und Graphan.
- Untersuchung spezifischer Einsatzgebiete wie der Kosmetik (Anti-Aging), Halbleitertechnik und Energietechnik (Solarzellen/Brennstoffzellen).
- Bewertung der ökonomischen und technologischen Hürden für den Übergang von Laborprototypen zur Serienproduktion.
- Synthese von Prognosen zur künftigen wirtschaftlichen Relevanz und Verfügbarkeit dieser Nanomaterialien.
Auszug aus dem Buch
3.1.3.1 Einsatz als Radikalfänger in Anti-Aging Produkten
Die Wechselwirkungen von verschiedenen Fullerenen mit freien Radikalen ist in den letzten Jahren an unterschiedlichen Fullerensystemen untersucht worden. Dabei stellte sich heraus, dass Fullerene hocheffiziente Radikalfänger sind. Freie Radikale zeichnen sich durch eine äußerst hohe Reaktivität aus. Diese hohe Reaktivität beruht auf ihrer Eigenschaft ungepaarte Elektronen zu besitzen. Wobei jedes dieser ungepaarten Elektrone ein Molekülorbital alleine besetzt.
Es existieren verschiedene Arten von freien Radikalen. Für den Menschen spielen dabei die Sauerstoffradikale eine besondere Rolle, da sie also Nebenprodukt der mitochondrialen Atmung durch die Reduktion von O2 entstehen. Die bekanntesten Sauerstoffradikale sind Superoxidanionradikal (O2°-) und Hydroxylradikal (HO°). Für die Haut und das darunterliegende Gewebe des Menschen sind freie Radikale sehr gefährlich, da sie die Lipide in den Zellmembranen angreifen und zerstören können. Dadurch können sehr empfindliche Störungen der Membraneigenschaften hervorgerufen werden, die in letzter Konsequenz zu einem verfrühten Zelltod und somit zu vorzeitiger Hautalterung führen. Der Körper des Menschen besitzt von Natur aus wirksame Abwehr- und Reparaturmechanismen wie beispielsweise Enzyme und Hormone. In diesem Zusammenhang müssen vor allem die beteiligten Antioxidantien hervorgehoben werden, welche die Oxidation von Lipiden und anderen wichtigen Molekülen verhindern.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die Zielsetzung der Arbeit sowie eine kurze Vorstellung der Fraunhofer-Gesellschaft als Forschungsinstitution.
2. Kohlenstoff und seine Allotrope: Theoretische Grundlagen zur Elektronenkonfiguration und den klassischen Kohlenstoffmodifikationen Graphit und Diamant.
3. Neuartig Kohlenstoffpartikel: Detaillierte wissenschaftliche Untersuchung von Fullerenen, Graphen und Graphan hinsichtlich Aufbau, Herstellung und spezifischer Anwendungsfelder.
4. Zusammenfassung und Ausblick: Kritische Reflexion der Forschungsergebnisse und Bewertung des zukünftigen industriellen Potenzials der untersuchten Nanomaterialien.
Schlüsselwörter
Kohlenstoffpartikel, Fulleren, Graphen, Graphan, Nanotechnologie, Radikalfänger, Anti-Aging, Halbleiter, Transistoren, Organische Solarzellen, Supraleiter, Verbundwerkstoffe, Kohlenstoffmodifikationen, Nanopartikel, Materialinnovation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit analysiert die technischen und wirtschaftlichen Potenziale neuartiger Kohlenstoffpartikel für den industriellen Einsatz.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Themenfelder umfassen die Materialeigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten von Fullerenen, Graphen und Graphan sowie deren industrielle Verarbeitbarkeit.
Was ist das primäre Ziel der Studie?
Das Ziel ist es, Verwendungsmöglichkeiten zu bewerten, Herstellungsverfahren zu beleuchten und Prognosen zur mittelfristigen Verfügbarkeit der untersuchten Materialien aufzustellen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine fundierte Literaturanalyse und strukturierte Bewertung aktueller Forschungsergebnisse in Bezug auf industrielle Fertigungsprozesse durchgeführt.
Was ist der Kerninhalt des Hauptteils?
Der Hauptteil gliedert sich in die Untersuchung von Aufbau, Herstellung und Anwendungsmöglichkeiten der drei Kohlenstoffpartikel, jeweils ergänzt durch eine kritische Bewertung der Einsatzreife.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Fulleren, Graphen, Graphan, Nanotechnologie, Halbleiter sowie die spezifischen technologischen Herausforderungen wie die Skalierbarkeit der Produktion.
Warum ist die Funktionalisierung von Graphen so wichtig für die Sensorelektronik?
Graphen reagiert extrem sensibel auf Gitterveränderungen; durch spezifische Funktionalisierung kann diese Eigenschaft genutzt werden, um einzelne Gasmoleküle hochpräzise zu detektieren.
Welches Problem verhindert aktuell den breiten Einsatz von Fullerenen in der Medizin?
Hauptprobleme sind neben der notwendigen Funktionalisierung für eine bessere Löslichkeit vor allem die hohen Kosten und der Forschungsbedarf bezüglich der Langzeitwirkungen im menschlichen Organismus.
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- Fabian Heinzelmann (Author), 2010, Anwendungen für neuartige Kohlenstoffpartikel, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/155802
