Über welchen Mechanismus kann Wärmeenergie in Festkörpern (z. B. durch Reibung hervorgerufen) als innere Energie gespeichert werden?
Gitterschwingungen
Wie heißen die Quantenteilchen, die hier zum Schwingen angeregt werden?
Phononen
Welcher Mechanismus führt letztendlich zur Erwärmung des Körpers?
Wärmeentstehung durch anharmonische Schwingungen und Phononenstreuung
In welche beiden Energieformen kann die Wärmeenergie umgewandelt werden? Geben Sie die vollständige Energiegleichung an und definieren Sie alle dort enthaltenen Größen.
Welche(r) Befehlssatz / Architektur wird bei ARM-Prozessoren für Smartphones benutzt?
RISC*-Architektur = Reduced Instruction Set Computer
Was ist der Grund hierfür? Risc archtektur prozessoren
Prozessor mit reduzierten Befehlssätzen. Befehle lösen nur kleine Aktionen aus. à weniger Arbeit à weniger Akkueinsatz à komplexere Apps nötig!
Ab welcher Partikelgröße ist eine direkte Interaktion mit Licht im sichtbaren Bereich nicht mehr möglich?
λ/2 = 200nm
Wie wird diese Grenze bezeichnet?
Abbe Limit
Welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, damit keine Interaktion stattfindet?
Wenn ein Partikel deutlich kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (ca. 380 – 790 nm), findet keine Interaktion statt
Wie wird die direkte Interaktion von sichtbarem Licht mit submikroskopischen Teilchen (wie z. B. Schwebepartikeln in der Luft) genannt, die in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts liegen? Bitte nennen Sie hierfür ein Beispiel aus dem Alltag!
Mie Streuung (Tyndall-Effekt): Sichtbarkeit von Auspuffgasen.
Wie wird die indirekte Interaktion von sichtbarem Licht mit molekularen Teilchen (wie z. B. Luftmolekülen) genannt, die deutlich kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind? Bitte nennen Sie hierfür ein Beispiel aus dem Alltag!
Rayleigh-Streuung; Beispiel: Das rote Farbspektrum bei Sonnenuntergang oder -aufgang, da das Licht durch die länger gewordene Atmosphäre gestreut wird und nur die roten Wellenlängen es bis zu uns schaffen.
Was passiert mit einer kolloidalen Nanosuspension (∼ 2 nm), wenn gänzlich keine Interaktion mehr zwischen Licht im sichtbaren Bereich und den Partikeln stattfindet?
● Nanopartikel (≤ 100 nm) werden unsichtbar, NPS transparent. Dies gilt jedoch nur unter speziellen Bedingungen ( sehr feine NP, monodispers, geringer Massenanteil, gute Stabilisierung).
Welche Werkstoffart ist in der Lage, plasmonische Resonanz durchzuführen?
Metallpartikeln oder Quantum Dots (Au, Ag, Na, …)
Was verstehen Sie generell unter dem Begriff plasmonische Resonanz? Bitte geben Sie Ihre Antwort in max. 2 Sätzen!
Kollektive, resonante Schwingung und Lichtemission der quasifreien Leitungselektronen ins Nahfeld bei Metallen nach Anregung durch geeignete lichtelektrische Felder.
Bitte nennen Sie die beiden Kräfte, die bei der plasmonischen Resonanz in Wechselwirkung stehen!
Räumliche Verschiebung (Fl ) und repulsive Kräfte (Fc )
Was ist ein „Plasmon“?
Quasiteilchen der Schwingung
Wie tritt dieser Effekt bei kolloiddispersen Partikelsuspensionen grundsätzlich in Erscheinung?
● Suspensionen erscheinen farblich, abh. von:
● 9nm intensiv rot à 60nm blau-violett
Von welchen Faktoren hängen die Eigenfrequenzen der plasmonischen Resonanz ab? Bitte nennen Sie mindestens drei!
Abhängig von: Material, Teilchenabstand, Konzentration, Partikelgröße /-form,
Bitte nennen Sie drei Anwendungsbeispiele, bei denen die plasmonische Resonanz von Nanowerkstoffen genutzt wird
● Verstärkung der Fluoreszenz von Biomolekülen
● Streuung von Licht auf Silizium-Oberflächen (Solarzelle) zur Verbesserung der Absorption
● Umwandlung von Licht in Wärme (Krebstherapie)
Welche Art von leistungsfähigeren Transistoren, die heute in vielen
Elektronikgeräten eingesetzt werden, haben die „Planar FET“ mittlerweile vollständig abgelöst?
5 - 3 nm FinFET-Transistoren
Welche beiden neuen Bauweisen werden zukünftig in der Halbleiterindustrie eine große Rolle spielen?
Wo wird beim RTM der quantenmechanische Tunneleffekt ausgenutzt?
Zur Oberfläche eines zu untersuchenden Materials
Was kann man mit einem RTM sichtbar machen?
● Atomare (elektronische) Struktur der Oberfläche von Materialien konnten erstmalig sichtbar gemacht werden
In welchem Bereich liegt der Abstand zwischen Spitze und Probe beim RTM?
· < 1 nm
In welchem Bereich liegt der Tunnelstrom beim RTM?
· 1pA bis 10nA
Wie hoch kann die Tunnelspannung (der sog. Bias) für Analysen im RTM bei tiefen Temperaturen und im Vakuum eingestellt werden?
· Ca. 100V
Bitte nennen Sie drei alternative Analyseverfahren zum RTM mit ähnlichen Auflösungsvermögen, die für den Nanometerbereich eingesetzt werden können!
● Weitere Analysemethoden: HR-REM, HR-TEM, AFM,
Bis zu welcher Strukturgröße kann man mit dem TEM auflösen?
● bis etwa 0,2 nm
Wie müssen die Strahlen im TEM ausgerichtet werden, um ein Beugungsbild (SAD) zu erzeugen?
● Alle Strahlen, die eine gemeinsame Richtung haben, werden hierzu in einem (Beugungs-)Punkt fokussiert.
Was kann man mit Hilfe des Beugungsbilds (SAD-Profil) im TEM bestimmen?
Nanostrukturen beobachten
Wie müssen die Strahlen im TEM ausgerichtet werden, um ein Ortsraum Bild zu erzeugen?
Ortsraum Bild: Alle von einem Objektpunkt ausgehenden Strahlen werden in einem Bildpunkt fokussiert
Was verstehen Sie unter dem Begriff „Gitterschwingungen“? Bitte beantworten Sie die Frage in einem Satz!
● Schwingungen der Gitterbausteine (Atome, Ionen, Moleküle) eines Kristalls um ihre Gleichgewichtslage.
Wie groß ist der Gesamtimpuls der Gitterschwingung bei einem Werkstoffs?
Gesamtimpuls ist null
Warum besitzen Metalle neben ihrer herausragenden elektrischen Leitfähigkeit zugleich auch eine sehr gute thermische Leitfähigkeit?
● Einfluss der freien Elektronen auf die Wärmeleitung bei Metallen und einigen C-Gruppen (Phononen und Elektronen)
Mit welchem Analyseverfahren lassen sich Gitterschwingungen in Festkörpern nachweisen?
● Nachweis in Streuexperimenten mit Licht und Röntgenstrahlen z.B. Elektronenenergieverlustspektroskopie
Welche vier physikalischen bzw. thermischen Eigenschaften werden von Frequenz und Dämpfung der Gitterschwingung bestimmt?
● Wärmeleitung λ
● Spezifische Wärmekapazität cp
● Wärmeausdehnung α
● Elektrischer Widerstand R
Inwiefern verändert sich der Phononendichtezustand („Density of State“) über dem Energiespektrum (in Höhe und Breite), wenn Nanowerkstoffe anstelle von konventionellen Materialien verwendet werden?
● Kurve der Phonen dichte in Abbh. der Energie flacht ab und wird breiter
Grenzen der Verkleinerung von Mikrochips. Was sind die physikalischen Probleme der zunehmenden Verkleinerung und Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Chips?
● Störende Quanteneffekte (Elementarteilchen unscharf verteilt)
● starke Wärmeentwickung
● Weniger verlässlich und schwer kontrollierbare Chips
Was sind die wirtschaftlichen Probleme der zunehmenden Verkleinerung und Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Chips?
● Große Herausforderungen an die Lithografie; Extreme Kostensteigerung
Wie (d. h. in welche generelle Richtung) verändert sich die Oberflächenenergie eines 1 g NaCl Würfels, wenn er sukzessive in kleinere, jeweils gleichgroße Würfel, unterteilt wird?
● Oberflächenenergie steigt absoult
● Oberflächenenergie und die Kantenenergie näher sich an
Was verstehen Sie unter dem „Tunneleffekt“?
● Potentialbarriere von endlicher Höhe kann von einem Teilchen überwunden werden, wenn die kin. Energie E1,kin geringer ist als die Höhe der Barriere (Epot)
Welche vier Bedingungen müssen erfüllt sein, damit der Tunneleffekt eintreten kann?
● geringen Breiten, kurzen Zeitabschnitten, hohen Energien, geringen Reflexionskoeffizienten
Nennen Sie drei Beispiele, wo der Tunneleffekt eintritt bzw. technisch genutzt wird
● Rastertunnelmikroskop,
● α-Zerfall
● SSD Flash-Speicher
Aufgrund welcher beiden Erklärungsansätze kann sich ein Teilchen auch auf der anderen Seite der Potentialbarriere befinden?
● Wellenfunktion Ψ ist auch im „verbotenen“ Bereich (innerhalb / jenseits der Barriere) nicht null, sondern klingt dort mit wachsender Eindringtiefe exponentiell ab.
● Wahrscheinlichkeit für das Teilchen, auf der anderen Seite der Barriere aufzutauchen, ist ungleich null.
Nennen Sie eine Anwendung aus dem Bereich der Elektronik / Informatik, wo der quantenmechanische Tunneleffekt eine zentrale Funktion erfüllt?
Flash-Speicher (nicht flüchtig)
Wie wird eine suprafluide Flüssigkeit wie Helium-II auch bezeichnet?
● Quantenflüssigkeit
Welcher besondere (innere) Zustand der Flüssigkeit geht verloren?
Zustand einer Flüssigkeit, bei dem sie jede innere Reibung (dynamische Viskosität) verliert.
Wie hoch ist die Wärmeleitfähigkeit in einem solchen Suprafluid?
● sehr große, ideale Wärmeleitfähigkeit (Kein Temperaturgradient oder Wärmetransport in der Fl. möglich.)
Was ist der sogenannte „Onnes-Effekt“? Bitte geben Sie Ihre Antwort in maximal zwei
Sätzen!
● Onnes-Effekt: Suprafluide Flüssigkeiten sind in der Lage bergauf zu fließen.
Gründe sind die fehlende Reibung sowie dass Kapillarkräfte an der Gefäßwand stärker sind als die Gravitationskräfte und der adhäsive Widerstand.
Welcher modellhaften Beschreibung gehorchen Suprafluide?
● „Bose-Einstein-Kondensat (BEK)“
Welche Wirkung hat die Suprafluidität auf die Wechselwirkung / dem quantenmechanischen Zustand der Atome?
● Alle Atome sind im selben quantenmechanischen Zustand (gleiche Energie*) und bilden eine Einheit ( Superatom)
Bitte nennen Sie jeweils zwei Beispiele für natürliche und technische Objekte aus dem Nanometerbereich!
● Virus und DNA
● carbon nano tubes, transistoren
Wie heißt der Bereich, der sich am unteren Ende des Nanobereichs anschließt?
● Untere ende → Picobereich 0,1-1nm
Wie heißt der Bereich, der sich am oberen Ende des Nanometerbereichs anschließt?
● Obere ende → Submikrobereich → 101-999 nm
Über welchen Dimensionsbereich erstreckt sich die Forschung des Menschen?
Von 10^-20 bis 10^30 m
Was stellt die obere Grenze dar (größte Dimension)?
Beobachtbares Universum
Was stellt die untere Grenze dar (kleinste Dimension)?
● Quarks und Elektroenen (Heisenberg Unschärrfe Relation)
Wie ist hier die derzeitige IST-Situation bzw. welche Unzulänglichkeiten bestehen (noch)?
● Unzureichende gesetzliche Regelungen und Standards für den Umgang mit Nanomaterialien (Stoffe, Formen, Mengen, Nutzer, Produkte, …).
● Kaum einheitliche Kennzeichnungs- und Meldepflichten weltweit.
● Fehlende Risikoforschung (Human- und Ökotoxikologie),
Technologiefolgenabschätzung und Product- / Life Cycle Assessments
In welchen beiden Industriebranchen wurden bisher gesetzliche Bestimmungen eingeführt?
● Kosmetikbranche und Lebensmittelbranche (Kennzeichnungspflicht)
In welcher EU-Verordnung müssen Nanomaterialien seit 2008 erfasst werden?
● in der EU REACH-VO (EG Nr. 1907/2006)
Welche vier Grundsätze bestimmen die Eigenschaftsveränderung (zwei Grundsätze) und die Arbeit (zwei Grundsätze) auf der Nanoebene?
● Eigenschaftsveränderungen
· Größe
Form
● Arbeit
· Veränderung von Materialien Atom für Atom oder Molekül für Molekül
· Materialien und Geräte können aus einzelnen Atomen bzw. Molekülen kostruiert werden.
Was ist die Besonderheit bei einem Lykurgusbecher hinsichtlich der Farbe?
● Änderung der Farbe und Brillanz durch unterschiedliche Lichtverhältnisse (Auflicht/Gegenlicht)
Wie werden Gläser mit so einer Besonderheit auch allgemein bezeichnet?
Dichroitisches Glas
Durch welche Werkstoffe, Partikelgröße und welches Mischungsverhältnis wird die unter a) genannte Besonderheit in einem Lykurgusbecher erzielt?
70 nm Au + Ag Partikel (Verh. 3/7)
Wozu führen steigende Oberflächenwechselwirkungen (Van-der-Waals Kräfte) bei zunehmender Verkleinerung der Partikelgröße?
● Bei zunehmender Verkleinerung der Partikelgröße führen steigende Oberflächenwechselwirkungen (Van-der-Waals Kräfte) zur verstärkten Anziehung dieser untereinander und erhöhen damit das Risiko einer Agglomerat-/ Aggregatbildung.
Um welche Art des Anziehungsprinzips handelt es sich bei der Van-der-Waals Kraft z. B. zwischen Teilchen mit temporärem und induziertem Dipole?
● Elektrostatische Anziehung zwischen den Molekülen → Van-der-Waals Kräfte.
Welche drei Arten von Van-der-Waals Kräften sind Ihnen bekannt?
● London‘sche WW (Dispersionskraft),
● Keesom WW (Dipolkraft, elektrostatische WW),
● Debye WW (Induktions-WW)
Zwischen welchen Teilchen / Dipolarten wirken die unter a) genannten Kräfte?
● London‘sche WW (Dispersionskraft), Induzierter Dipol <> Induzierter Dipol
● Keesom WW (Dipolkraft, elektrostatische WW), Dipol <> Dipol
● Debye WW (Induktions-WW) Induzierter Dipol <> Dipol
Welche WW ist relevant für Nanowerkstoffe
● London’sche Dispersionswechselwirkung
Wofür sind temporäre Dipolkräfte auch verantwortlich?
● Temporäre Dipolkräfte sind dafür verantwortlich, dass unpolare Verbindungen wie Wasserstoff, Methan, Hexan überhaupt flüssig oder fest werden können
Wie verändern sich die Van-der-Waals Kräfte, wenn:
Der Abstand der Teilchen vergrößert wird?
Die Oberfläche der Teilchen vergrößert wird?
● Fällt mit der sechsten Potenz des Abstands
● Nimmt mit der Oberfläche der Partikel stark zu
Welche drei Hauptvalenz-Bindungen (Atombindungen) kennen Sie und welche Bindungsenergiebereiche liegen hierbei zugrunde?
● Ionenbindung 600-3850 kJ/mol
● Atombindung 200-1000 kJ/mol
● Metallbindung 100-500 kJ/mol
Welche Oberflächenwirkung lässt sich mit Hilfe von WO3 Nanopartikeln in thermisch gespritzten keramischen Verschleißschutzschichten (wie Al2O3 oder Cr2O3) bei feuchten Umgebungen (ab 25 % Luftfeuchte) erzielen?
Antimikrobielle Aktivität (gegen „S aureus“)
Welcher Effekt wird hier ausgenutzt, um die praktisch nicht fließ- und förderfähigen WO3 Pulver trotzdem in den thermischen Spritzbrenner zu bringen und dort spritztechnologisch zu Schichten zu verarbeiten?
● Die Größeren Al2O3 / Cr2O3 (20-50 ym) adsorbieren die kleineren WO3 (<10ym) Partikel.
Durch welche Wirkung von PKS-Nanopartikeln (pyrogene Kiesesäure) kann die Fließfähigkeit feiner CoNiCrAlYPulver (8 µm) deutlich verbessert werden?
● Sie senken den Lawinenwinkel
Wie hoch sollte der Anteil der PKS-Nanopartikel etwa liegen?
● Geringe Mengen von ca. 2 Gew.%
Welche drei grundlegende Stabilisierungsmöglichkeiten für kolloiddisperse Dispersionen / Suspensionen gibt es (eine Beschreibung ist nicht erforderlich)?
● Sterische Stabilisierung
● Elektrostatische (Ladungs-)Stabilisierung
● Elektrosterische Stabilisierung
Welchen Einfluss hat die Polymerlösung auf die Stabilisierung von Nanopartikeln und welche vier Zustände können sich ergeben (eine Erklärung der Zustände ist nicht erforderlich)!
● Stabilisierung von Nanopartikeln durch erhöhte Polymerkonzentretion
● 1.) Brückenflockung 2.) Sterische Stabilisierung 3.) Verarmungsausflockung
4.) Verarmungsstabilisierung
Bitte nennen Sie vier Beispiele für Eigenschaften, die sich bei Nanowerkstoffen (nanostrukturierten Materialien) im Vergleich zu klassischen Materialien ändern!
● höhere Härte, Geringere Dichte, Geringere therm. Leitfähigkeit, Reduzierter E-Modul
In welchem typischen Partikelgrößenbereich liegen kolloiddisperse Suspensionen / Dispersionen vor?
● Partikelgröße < 1 µm (meist 50 - 300 nm)
Wie hoch ist bei kolloiddispersen Suspensionen / Dispersionen üblicherweise der Feststoffgehalt?
Feststoffgehalt: 12 - 50 Gew.-%
Wie werden disperse Systeme mit annähernd gleicher Teilchengröße benannt
· monodispers oder isodispers,
Wie werden disperse Systeme mit unterschiedlicher Teilchengröße bezeichnet?
· polydispers
Bitte nennen Sie drei Beispiele für Dispersionsmedien!
· Wasser, Öl, Ethanol
Was verstehen Sie allgemein unter dem Begriff „Kolloide“?
· Partikel die viel größer als Atome/Moleküle sind , aber klein genug, so dass die Brownsche Molekularbewegung und die reduzierte Gewichtskraft ein Absinken verhindern
Welche drei grundsätzliche Arten von Dispersionen / Suspensionen kennen Sie? Geben Sie jeweils ein Beispiel an
Molekulardispers gelöst - Echte Lösung / fluide Phasen (NaCl)
Kolloiddispers gelöst - Proteinlösungen
Grobdispers gelöst - Milchfettkügelchen
Beschreiben Sie bitte kurz, um was es sich bei einer kolloiddisperse Partikelsuspension handelt?
Fein verteilte Teilchen oder Tröpfchen, stabilisiert in einem anderen, niedermolekularen Medium* (Feststoff, Gas oder Flüssigkeit).
Was für ein besonderes Verhalten zeigen kolloiddisperse Dispersionen / Suspensionen?
Verhalten sich eher wie eine molekulare Lösung als ein
Flüssigkeit-Feststoff-Gemisch
Welche Art von Magneten (bezüglich des Aggregatzustands) lassen sich mithilfe von Nanowerkstoffen herstellen, was mit konventionellen Werkstoffen nicht möglich ist?
● Herstellung von Flüssigmagneten bei RT
Welcher energetischer Effekt bei Nanowerkstoffen macht es möglich, dass aus ursprünglich ferromagnetischen Werkstoffen superparamagnetische kolloiddisperse Partikelsuspensionen werden?
● Durch die sinkende Größe sinkt die erfoderliche Energie für die ferrommagnetische Ordnung
Woraus sind Molekulare Nanomagnete und „Single-Molecule Magnets“ Magnete aufgebaut?
● Metallorganische Verbindungen als Dauermagneten (1 x Cr + 2 x Pyrazin) oder magnetoresistive Systeme (effiziente Speicher, Prozessoren) z. B. Co + ZMP
Für welche beiden Aufgaben können Molekulare Nanomagnete und „Single-Molecule Magnets“ eingesetzt werden?
für neue nichtflüchtige Arbeitsspeicher oder Quantencomputer.
Molekulare Nanomagnete und „Single-Molecule Magnets“ Welches weitere grundlegende Prinzip kann hier für den Magnetismus genutzt werden?
● Nutzung der molekularen Spinelektronik
Molekulare Nanomagnete und „Single-Molecule Magnets“
Welcher Effekt mit großer technischer Relevanz (z. B. für Festplatten) kann hierdurch realisiert werden?
● Magnetwiderstandeffekte (MR-Effekte)
Bitte nennen Sie drei magnetische Eigenschaften, die durch die Größe der ferromagnetischen Domänen beeinflusst werden!
● Remanenz, Sättigungsmagnetismus, Koerzitivfeldstärke)
Wie ändert sich die Anzahl der Oberflächen- und Volumenatome bzw. deren Verhältnis zueinander, wenn die Größe eines Nanopartikels (z. B. Palladium) von 63 nm auf 1,2 nm verringert wird?
● DIe Anzahl der Oberflächenatome nehmen im Verhältnis zu den Volumenatomen zu
Bei Nanowerkstoffen ist die Anzahl der Oberflächenatome im Vergleich zu den Volumenatomen sehr groß. Was ist der entscheidende Grund, warum Oberflächenatome sich anders verhalten als Volumenatome?
● Höhere potentielle Energie da weniger Partner (geringere Koordinationszahl) vorhanden
Auch wenn polykristalline Nanowerkstoffe besondere mechanische Eigenschaften aufweisen, verzichtet man bei Anwendungen mit höheren Temperaturen (d. h. >
400°C) auf diese. Im Hochtemperaturbereich werden stattdessen
Einkristallwerkstoffe anstelle von Nanowerkstoffen verwendet. Was sind die drei Gründe hierfür?
● NW sind thermisch hochreaktiv und z. T. unberechenbar
● Verfestigungseffekte durch Versetzungsaufstau ergeben sich nur bei geringen Temperaturen (T/TM ≤ 0,4)
● Bei höheren Temperaturen kommt es zur Entfestigung durch thermisch aktivierte Vorgänge hauptsächlich durch Korngrenzengleiten
Wie wird ein einkristalliner Werkstoff generell hergestellt?
● Herstellung durch langsames, kontrolliertes Abkühlen
Wodurch ist ein einkristalliner Werkstoff charakterisiert und welche beiden Vorteile ergeben sich dadurch?
● Nahezu keine Korngrenzen oder andere Strukturfehler
● Höhere mechanische und thermische Festigkeit
● Bessere elektronische Eigenschaften (Silizium)
Bitte nennen Sie ein Beispiel, wo einkristalline Werkstoffe eingesetzt werden
● Turbinenschaufeln aus einkristalliner NickelbasisSuperlegierung (mehrphasiger Einkristall)
a) Was verstehen Sie unter dem „inversen Hall-Petch Bereich“?
● Festigkeitssteigerung bei fallender Korngröße ist endlich
Warum ist dieser inverse Hall-Petch Bereich größenmäßig so schwer abgrenzbar?
Inkonsistente Ergebnisse von Studien
● instabilität von Strukturen in diesen Größenordnungen
● Repräsentative Messungen sind schwierig
● Materialverhalten wird nicht nur allein über die Korngröße gesteuert
Was sind die Gründe dafür, dass es im „inversen Hall-Petch Bereich“ nicht mehr zu einer weiteren Verfestigung des Materials, sondern umgekehrt zu einer Entfestigung mit fallender Korngröße im unteren Nanometerbereich kommt?
● Bei d < 10 nm: Anzahl der Versetzungen im Aufstau < 2 da Aufstaulänge zu gering ist. (Hohe Rückdrückkräfte verhindern das weitere Zusammendrücken von Versetzungen)
Aus welchem energetischen Grund wird die Bildung von Versetzungsquellen im unteren Nanometerbereich erheblich erschwert?
Aktivierungsspannung der Versetzungsquellen wächst mit fallender Korngröße
Welche besondere Struktur weisen quasikristalline Werkstoff auf?
● Atome bzw. Moleküle in einer geordneten, aber aperiodischen Struktur angeordnet
Welches charakteristische Muster zeigt ihre Schnittfläche (QC)?
● Penrose-Parkettierung
Welche Besonderheit ermöglicht, dass QC-Werkstoffe mittels röntgenographischer Methoden (z. B. bezüglich der Phasen) analysiert werden können?
● Scharfe Beugungspunkte
Woraus bestehen QC-Werkstoffe und wie werden sie hergestellt?
● Meist aus (instabilen) ternären (amorphen) Legierungen, die nur durch schnelle Abkühlung gebildet werden, mit Al, Zn, Ca oder Ti als Hauptbestandteil
Nennen Sie mindestens drei besondere Eigenschaften von QC-Materialien (egal welcher Kategorie)?
● niedrige spezifische el. Leitfähigkeiten
● niedrige thermische Leitfähigkeit
● kleine spezifische Wärmekapazität
fest und spröde
Welche besondere thermische Eigenschaft wird den QC-Materialien zugeschrieben?
● Neben Gitterschwingungen führen „Phasonen“ zum Springen von Teilchen an neue Plätze
Welche Eigenschaft ist bei QC-Materialien in ähnlicher Weise wie bei Halbleitern vorhanden?
Existenz einer „Pseudolücke“
Nennen Sie mindestens drei Anwendungen von QC-Materialien!
● Photonische Bauelemente in elektronischen Systemen
● Speicherung von Wasserstoff (e-Mobilität)
● Nutzung der Antihafteigenschaften als Alternative zu TEFLON z. B. bei Bratpfannen
Welches Verfahren kann zur Herstellung von Beschichtungen aus QC-Materialien eingesetzt werden?
● Thermisches Spritzen
Welche Form von Nanowerkstoffen ist aus technologischer Sicht am bedeutendsten und wird am häufigsten produziert bzw. angewendet?
● Nanopartikel, Nanosuspensionen, nanokristalline Werkstoffe, Nano-CompositWerkstoffe und Beschichtungen zählen zu den wichtigsten und technisch bedeutsamsten Nanoprodukten
Welche Aufgaben erfüllen Nanobeschichtungen?
Flammschutz
Korrosionsschutz
Lotus-Effekt
Easy-to-Clean / schmutzabweisend
Nennen Sie zwei Beispiele für verfügbare Nanoprodukte aus dem Bereich „Ressourcenund Materialeffizienz“ und geben Sie Infos zum Produkt sowie den möglichen Nutzen an
● Anti Haft Beschichtungen (pfannen) → Schmutzabweisend; kein Anbrennen
● Nanolacke / Nanoüberzüge (FlipFlop Lacke)→ Dünnere Schichten, intensivere
Farben, UV Beständig
Nennen Sie zwei Beispiele für verfügbare Nanoprodukte aus dem Bereich „Energieeffizienz und -speicherung“ und geben Sie Infos zum Produkt sowie den möglichen Nutzen an!
● QLED (Unterhaltungselektronik)→ Geringerer Energiebedarf
● Gebäudeisolierung ( Aerogel auf Basis Kieselsäure)→ bessere Dämmeigenschaften bei verringertem Volumen
Nennen Sie zwei Beispiele für verfügbare Nanoprodukte aus dem Bereich
„Umweltschutz“ und geben Sie Infos zum Produkt sowie den möglichen Nutzen an!
● Nano-Membrane (Titanoxid) → Verbesserte Aufbereitung
● Superhydrophobe Oberflächen (Mit Nanostrukturen) -> Reduktion von Reinigungsmitteln und Reinigungsaufwand
a) Was ist eine superhydrophobe Oberfläche?
a)
Nanoskalige Oberflächenstruktur mit sehr großen Kontaktwinkel – stark Wasserabweisend
a) Wie wird dieser lotus Effekt technisch erreicht?
Technische Strukturierungsverfahren: Tauchbeschichtung, photolithographische Verfahren, Ätzen, chemische Gasphasenabscheidung, Elektrospinnen
a) Warum perlen z. B. Wassertropfen auf einem Lotusblatt oder auf einer künstlich mittels Lotus Beschichtung versehener Oberfläche ab?
● Ist mit 10 - 20 μm hohen Papillen bedeckt, die jeweils 10-15 ym auseinander liegen
o Wasser kann wegen seiner Oberflächenspannung nicht in die Räume zwischen
den Papillen eindringen und die Oberfläche benetzen.
Erläutern Sie den Begriff „Easy-to-clean“ Oberfläche!
Raue wasserabstoßende und somit schmutzabweisende Oberfläche. Kombination aus hydrophober Oberflächenchemie und spezieller Mikro- / Nanostrukturen.
Wassertropfen waschen rollend die kaum haftenden Schmutzpartikel weg.
a) Was ist eine „superamphiphobe Oberfläche“ und wofür werden diese genutzt?
Wirken gleichzeitig wasserabweisend (hydrophob) und ölabweisend (lipophob) Schaumbildung soll bei bestimmten Flüssigkeiten (z. B. Bier- und Seifenschaum) schon bei der Entstehung verhindert werden
a) Welches Funktionsprinzip liegt hier zugrunde?Bierglas
Feine Säulen destabilisieren die Schaumblasen und bringen sie zum Platzen. Die Luft im Schaum wird freigesetzt und entweicht.
a) Welcher Nutzen ergibt daraus? Bierglas
Temporäre chemische Zusatzstoffe zur Schaumregulierung (Öle, Wachse, Mikropartikel) können so entfallen.
Entschäumungs- und Schaumverhinderungsprozesse für die Lebensmittel- und Chemieindustrie (z. B. industriellen Abfüllanlagen).
Was verstehen Sie unter einer Metastruktur?
Künstlich hergestellte Strukturen mit besonderer Durchlässigkeit für el. und mag. Felde
Wie ist eine Metastruktur generell aufgebaut?
Speziell angefertigte, meist periodische, mikroskopische Strukturen (Zellen, Einzelelemente) aus el. oder mag. wirksamen Materialien im Inneren.
Nennen Sie bitte drei generelle Anwendungen für Metastrukturen?
Displays, 3D-Projektionen, Mikroskope
Welchen Nutzen bieten (optische) Meta-Linsen (neurale Nanooptiken) für Kameras?
Sehr flache und kompakte Systeme
Wie werden (optische) Meta-Linsen aufgrund ihrer Funktionalität auch bezeichnet?
Optische Antenne
Welche bisherige Schwierigkeit gibt es bei (optischen) Meta-Linsen, die zu „chromatischer Aberration“ führt?
Fokussierung von Licht im gesamten sichtbaren Bereich (460 - 700 nm)
Was verstehen Sie unter diesem Riblet Effekt?
Funktionale Oberflächenstrukturen zur Minimierung des Reibungswiderstandes auf turbulent überströmten Flächen.
Welches Tier macht sich den Riblet-Effekt zunutze?
Hai kann durch Riblet-Struktur schnell und mit geringer Kraftaufwendung schwimmen
Für welche Anwendungen lässt sich dieser Effekt nutzen? Riblet
● Verbesserung der Aerodynamik / Hydrodynamik bei Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen, Windrädern etc.
● Riblet-Folien / Riblet-Oberflächen (Verringerung der Wandreibung bis zu 8,5 %)
● Senkung des Treibstoffverbrauchs und des CO2-Ausstoßes in der Luftfahrt
● Erhöhung der Fahr- / Fluggeschwindigkeit
● Reduzierung der Vereisung an Flugzeugrümpfen und Windrädern.
Frage 16: Welche beiden Möglichkeiten durch nanostrukturierte Mehrschichtsysteme werden in der thermischen Fügetechnik genutzt?
● Ausnutzung des Größeneffekts im Nanometerbereich
○ Senkung der Schmelztemperatur (schmelzpunktniedrige Lote)
○ Lötwärme durch exotherme Reaktion (Superheating-Effekt)
Was verstehen Sie unter dem Fügen Mittels RMS?
● RMS = Reaktiv-Multischicht-Systeme
● Schmelzen konventioneller Lote durch die exotherme Reaktionsenergie eines Multischichtsystems
Welcher Effekt sorgt hier für die exotherme Reaktion?
● Das Zünden, welches zu Diffusionsvorgängen und somit zur Abgabe von Kristallisations-/ Phasentransformationswärme führt-
Welche beiden Vorteile werden durch RMS erzielt?
● Senkung der Schmelztemperatur
● Fügung unterschiedlichster Materialkombinationen möglich
Wie lassen sich Schmelzpunkt-erniedrigte Lote herstellen bzw. wie sieht die Struktur dieser Lote aus?
● Lötfolienherstellung mittels des PVD-Verfahrens (nanolagige
Multilagenschichten mit Diffusionsbarriere)
Wie können Getränke, die aus Brüh- (z.B. Kaffee, Tee) oder aus Maischeprozessen
(z.B. Bier) stammen, aus nanotechnischer Sicht auch bezeichnet werden?
· „Kolloidale Submikro-/ Nanopartikelsuspension“
Aus welchen drei Gründen kommt es bei den oben genannten Getränken nicht zu
einer Sedimentation der Partikel?
· Kolloidpartikel verhindern Sedimentbildung
o Brownsche Molekularbewegung
o Reduzierte Gewichtskraft
o Ausreichende Stabilisierung
Frage 21: Mit welchen Nanowerkstoffen lassen sich zukünftig neuartige Batterien herstellen, die 1 Mio. Volt und mehr speichern können (Tipp: Laserschwert)?
· Nanobatterie aus CNT`s (Carbon Nano Tubes)
In welcher Einheit wird die Rechenleistung von High-Performance Computern
(HPC) gemessen bzw. angegeben?
· Petaflops pro Sekunde
Welche beiden Probleme ergeben sich bei der zunehmenden Steigerung der Leistungsfähigkeit von High-Performance Computern (HPC) wie dem Tianghe-2?
· Extremer Energieverbrauch und Raumbedarf
Bitte nennen Sie die beiden grundlegenden Prinzipien, die von Quantencomputern
genutzt werden (eine Erklarung ist nicht erforderlich)!
· Superpositionsprinzip und Quantenverschränkung
Was ist ein Qubitund wo ist der Unterschied zum klassischen Bit?
· Qubits = Quantum Bits
Qubits haben zustände zwischen 1 und 0 und sind Quantenverschränkt
Was sind die bisherigen Probleme der Quanten Computer?
· Superposition sehr kurzlebig und störanfällig
· Komplexe Fehlerüberprüfung bedarf ein Großteil der Rechenkapazität
Welche Visionen / Aufgaben werden mit dem Quantencomputer verbunden?
· Durchführung bislang unlösbarer Probleme z. B. erzeugung globaler Klimamodelle
Welche Art des Quantencomputers stellt die bisherige Entwicklung dar und wird am häufgsten eingesetzt?
· Quanten-Annealer
Warum werden Quantencomputer fast ausschlieslich fur Optimierungsaufgaben eingesetzt und haben bislang kaum praktischen Nutzen?
· Befinden sich noch in der Entwicklungsphase
In welchem Jahr wurde das Rastertunnelmikroskops durch G. Binning und H.
Rohrer erfunden?
· 1981
Was ist der Unterschied zwischen einem Aggregat und einem Agglomerat?
· Agglomerat: Ansammlung schwach gebundener Partikel oder Aggregate bzw. Gemische der beiden, in der die resultierende Oberfläche ähnlich der Summe der Oberflächen der einzelnen Bestandteile ist.
· Aggregat:
Partikel aus fest gebundenen oder verschmolzenen Partikeln, bei dem die resultierende Oberfläche wesentlich kleiner als die Summe der berechneten Oberflächen der einzelnen Bestandteile sein kann.
Welche Basisstrukturen von Nanowerkstofen kennen Sie und welche Dimensionalität besitzen diese?
· Punktförmige Stuktur
o 3 Dimensionen < 100nm
· Linienförmige Strukturen
o 2 Dimensionen nanoskalig
· Ebene Strukturen
o 1 Dimension nanoskalig
· Inverse Nanostrukturen
o Poren oder komplexe Hohlstrukturen
Definieren Sie bitte den Begriff mesoskopischer Bereich / mesoskopische Physik!
· In der Festkörperphysik und Chemie wird ein zwischen mikroskopisch und makroskopisch liegen der Übergangsbereich als „mesoskopisch“ (von griechisch μέσο „Mitte“) bezeichnet. Der Bereich erstreckt sich auf einer Längenskala von ca. einem Nanometer bis ca. einem Mikrometer und bezeichnet einen unscharfen Übergangsbereich zwischen klassischer Physik und Quantenphysik.
Welche drei Vorteile verspricht der Einsatz von Nanofarbpigmenten in Druckertinte?
· Intensive Farben
· Hohe Beständigkeit (Licht-und Wärme)
. Schnelle Trocknung
Aus welchem Grund haften feine Pfeferpulver an der Glasinnenwand von Pfeferstreuern?
· Feine Pfefferpartikel setzen sich aufgrund der steigenden Dominanz von Wechselwirkungen an der Partikeloberfläche (Van-der-Waals Kräfte) dauerhaft an der Glaswand fest (Adhäsion) und machen diese zunehmend undurchsichtig
Was muss mit dem Partikel gemacht werden, damit der Hauptindikator ermittelt werden
kann? Zeta-potential
Es muss durch Elektrophorese eine Partikelbewegung erzeugt werden
Uber welchen Messwert wird der Hauptindikator berechnet?
· Bestimmung des Zeta-Potentials über die elektrophoretische Mobilität
Welcher Wert wird neben des Zetapotentials meist noch bestimmt?
· Dispersionsstabilität
Uber welche zwei Arten kann das Partikelverhalten analysiert und damit der Messwert
aus b) ermittelt werden? ZETA
· Ermittlung von elektropherischer Mobilität durch Beobachtung der Partikelbewegung im Dunkelfeld (SLM + Bildanalyse) sowie durch Geschwindigkeitsanalyse mittels Laser-Doppler-Anenometrie(LDA)
Wie lautet der Name der Berechnungsformel (eine Angabe der Formel ist nicht erforderlich) fur den Hauptindikator? Zeta
· Smoluchowski Gleichung
Ab welchem Wert des Hauptindikators gilt eine Dispersion als elektrostatisch ausreichend
stabilisiert? Zeta
· Ab >30 mV
Durch welche Faktoren / Masnahmen kann der Hauptindikator und damit die elektrostatische Stabilitat beeinflusst werden? Zeta
Durch Veränderung der Leitfähigkeitoder des pH-Werts(pH-Titration) des Dispersionsmediums oder durch Belegung der Partikelgrenzfläche mit geeigneten Polymeren
Nanowerkstoffe können bei gleicher chemischer Zusammensetzung wie konventionelle Werkstoffe völlig andere Eigenschaften und Wirkungen aufweisen. Erläutern Sie diesen Zusammenhang am Beispiel Kohlenstoff. Berücksichtigen Sie dabei bitte strukturelle wie auch makroskopische Eigenschaften!
Modifikation bestimmt makroskopische Eigenschaften
Graphit (sp2 – 3 wertig Kovalent): Weich, schwarz (hohe
Lichtabsorption durch freie e-), el. leitend, reaktiv, preiswert
Diamant (sp3 – 4 wertig Kovalent): Härtester Werkstoff,
transparent, el. nichtleitend, chemisch inert, teuer
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