Dank ihrer günstigen Eigenschaften findet die Titanatröhre schon seit längerem in einigen Industriebranchen (Malfarbenindustrie, Kosmetikindustrie) Anwendung. Unsere neuen Titanat – Nanoröhren verfügen außer den günstigen Eigenschaften von Titan-Dioxid auch über die vielfältigen Möglichkeiten, welche sich auf die Nanotechnologie zurückführen lassen.
Der Durchmesser der Nanoröhren ist ein Tausendstel der Dicke eines Haares, wobei ihre Länge ungefähr ein Zehntel eines typischen Bakteriums ist. Diese winzigen Röhrchen sind nicht geschlossen, sie sind einem zusammengerollten Teppich aus einigen Atomschichten ähnlich (Bild 1.). Unsere Kapazitäten zur Herstellung ermöglichen die Produktion von Nanotitanat in industriellen Mengen.
Bild 1. Transmission-elektronenmikroskopische Aufnahmen von Titanat-Nanoröhren
Titanatröhren können dank ihrer Halbleitereigenschaften als Grundstoffe von verschiedenen Sensoren (z.B.: Lambdasonde) und Katalysatoren, sowie als Träger von Katalysatoren dienen.
Nanorörchen aus Titanat verfügen dank ihrer Oberflächenchemie und ihrer Schichtenstruktur über eigenartige Eigenschaften, die sie für die Anwendung bei der Wasserenthärtung, oder für die Entfernung von anderen nicht gewünschten Ionen (Schwermetallionen) fähig machen.
Die eigenartige Fähigkeit zum Ionenwechsel eröffnet für die Nanoröhrchen aus Titanat auch weitere Anwendungsgebiete. Mit speziellen Veränderungen lassen sich sogenannte „super-wasserabweisende“ Stoffe herstellen. Diese haben – wie die Blätter der Lotusblume – einen selbstreinigenden Effekt (Lotus Effekt). Die Wassertropfen perlen von der Oberfläche des Blattes ab und nehmen jede Schmutzpartikel mit. Mit den speziell modifizierten Nanoröhrchen aus Titanat lassen sich verschiedene wasser- und schmutzabweisende Stoffe, Oberflächen und Beschichtungen herstellen (Bild 2.) Die wasserabweisende Wirkung der Nanoröhrchen erleichtert auch die Stoffverteilung in einigen Kunststoffen.
Bild 2. : Wassertropfen auf dem Blatt der Lotusblume (links); Wassertropfen auf einer modifizierten Nanoröhrchen-Schicht aus Titanat (rechts)
Mit entsprechender Modifizierung der Titanat-Nanoröhrchen lassen sich auch antibakterielle Stoffe und Schichten herstellen, die in der Lage sind, verschiedene Bakterien und Pilze abzutöten (Bild 3.).
Bild 3.: Auf der Filmschicht aus Titanat-Nanoröhrchen wachsen keine Bakterien- und Pilzkolonien.
Unsere neuesten Entwicklungen brachten neben Titanat-Nanoröhrchen Titanat-Nanofasern hervor. Diese Nanostrukturen sind 50-100 nm breit und 1-10 Mikrometer lang (Bild 4.) Den Nanoröhrchen ähnlich verfügen sie über eine Schichtenstruktur, wobei die Faserstruktur noch weitere Möglichkeiten mit sich bringt.
Bild 4.: Transmission-elektronenmikroskopische Aufnahmen von Titanat-Nanofasern
Anwendung als Polymer-Zusatzstoffe
Die eigenartige Stoffstruktur, die minimale Größe und die daraus resultierende relativ große Oberfläche sowie die eindimensionale Struktur machen die Kunststoffe auch als Zusatzstoffe vielversprechend.
Für viele Kunststoff-Nanokomposita (z.B.: Polyethylen, Polystyrol, thermoplastisches Polyurethan, Bild 2.) brachten Titanat-Nanostrukturen eine erhöhte Zieh- und Zerrfestigkeit, Abnutzresistenz sowie einen erhöhten Young Modulus mit sich. Neben den mechanischen Eigenschaften haben die Titanat-Nanostrukturen auch eine flammhemmende Wirkung.
Bild 5. Scanning-Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Polymer-Nanokomposits mit Titanat-Nanostruktur
Anwendung in der Mahlfarbenindustrie
Dank seiner ausgezeichneten Reflexionseigenschaften, der weißen Farbe und seiner eindimensionalen Struktur, die in einer höheren Deckung (Bild 5.) resultiert, könnte dieses Nanokomposit seine Anwendung in der Mahlfarbenherstellung finden. Die vorhin genannten Eigenschaften lassen sich auch mit den antimikrobiellen, superhydrophoben und fotokatalytischen Eigenschaften kombinieren. So können auch Mahlfarben hergestellt werden, die Bakterien und Pilze abtöten und/oder selbstreinigend sind.
Bild 6.: Mahlfarbenschicht hergestellt aus der gleichen Menge Titandioxid (links) und Titanat-Nanostruktur (rechts). Gut sichtbar ist die bessere Deckung, die auf die einzigartige Morphologie der Titanat-Nanostruktur zurückzuführen ist.
Fotokatalytische Anwendung
Eine mögliche Lösung für die ökologischen und wirtschaftlichen Probleme, welche mit der meistverbreiteten Energiegewinnung aus Erdöl einhergehen, ist die Nutzung der Sonnenenergie. Mit Titanat-Strukturen lassen sich fotoelektronische Zellen herstellen, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln können. Mit Sonnenenergie lassen sich auch verschiedene umweltschädliche Substanzen abbauen, so können Titanat-Nanostrukturen auch für die Säuberung von Wasser oder Luft verwendbar sein. Auch die Herstellung selbstreinigender Oberflächen ist vorstellbar, die für die Reinigung von Wasser und Luft anwendbar sind. Außerdem sind Nanostrukturen unter bestimmten Umständen geeignet, aus Wasser oder aus Alkohol, der sich in der Natur leicht produzieren lässt, Wasserstoff herzustellen, der auch als eine der vielversprechenden alternativen Energiequellen gilt (Bild 7.)
Bild 7.: Schematische Darstellung eines Fotoreaktors mit Titanat-Nanostruktur. In so einem Reaktor lassen sich Schmutzstoffe abbauen und Wasserstoff herstellen.