nano.DE-Report 2009Status Quo der Nanotechnologie in Deutschland

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Medienpartner Murer GmbH, Hckelhoven

Titelfoto

medicalpicture/FrerkSPM

Druck

WAZ Druck, Duisburg

Bonn, Berlin 2009

nano.DE-Report 2009Status Quo der Nanotechnologie in Deutschland

Gruwort

Gruwort

Forschung und Innovation sind gerade in konjunkturell schwierigen Zeiten die beste Strategie, um wirtschaftliche Wachstumskrfte zu strken und langfristig gesellschaftlichen Wohlstand zu sichern. Denn neue Ideen und Kreativitt in Wissenschaft und Wirtschaft sind die Schlssel zu neuen Produkten und sichern Deutschlands internationale Wett-bewerbsfhigkeit. Es gilt deshalb, vor allem Zukunfts-technologien voranzutreiben, die als Wachstumstreiber in vielen Branchen den Weg zu den Innovationen von morgen bereiten knnen. Damit erschlieen wir Leitmrkte und schaffen Arbeitspltze.

Die Nanotechnologie ist eine dieser Schlsseltechnologien. Mit der NanoInitiative Aktionsplan 2010 hat die Bundes-regierung einen ressortbergreifenden Aktionsrahmen fr die Nanotechnologien geschaffen. Denn nanotechnologische Anwendungen sind Impulsgeber fr zukunftsweisende Inno-vationen von der Optik ber die Textilindustrie bis hin zur Baubranche. Nanotechnologien erarbeiten die Grundlagen fr immer kleinere Datenspeicher mit immer grerer Speicher-kapazitt, fr hochwirksame Filter zur Abwasseraufbereitung, fr photovoltaische Fenster, fr Werkstoffe, aus denen sich in der Automobilindustrie ultraleichte Motoren und Karosserie-teile fertigen lassen, oder fr neue Diagnostik- und Therapie-verfahren, die zielgenauer auf den Patienten abgestimmt und damit auch schonender sind und die langfristig zu einer kostengnstigeren Medizin fhren werden.

Mit dem nano.DE-Report 2009 Status Quo der Nanotechno-logie in Deutschland legt das Bundesministerium fr Bildung und Forschung eine Standortbestimmung fr nanotechnolo-gische Anwendungen und deren Potenziale in Deutschland vor. Der Report gibt einen Einblick in die Erfolgsgeschichte dieser noch jungen Technologie und zeigt, wie nanotechnolo-gische Anwendungen zu Innovationen beitragen, mit denen deutsche Unternehmen weltweit neue Mrkte und Geschfts-felder erschlieen knnen.

Prof. Dr. Annette Schavan, MdB Bundesministerin fr Bildung und Forschung

INHalT 1

Inhalt

Zusammenfassung 3

1 Einleitung 4

1.1 Eingrenzung des Technologiefeldes 4

1.2 Wirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologie 5

1.3 Nano-Initiative der Bundesregierung 5

1.4 Ziele des nano.DE-Reportes 6

1.5 Methodischer ansatz 6

2 Markt- und anwendungspotenziale der Nanotechnologie 7

2.1 Chemie 12

2.2 automobil 18

2.3 Elektronik 22

2.4 Medizin/Pharma 25

2.5 Optik 29

2.6 Energie- und Umwelttechnik 33

2.7 Maschinenbau 40

2.8 Bau 42

2.9 Textil 46

2.10 Sicherheitstechnik 52

3 Nanotechnologie in Deutschland 56

3.1 Charakterisierung deutscher Nanounternehmen 57

3.2 Produkt- und leistungsspektrum deutscher Nanounternehmen 61

3.3 Forschungslandschaft 65

4 Rahmenbedingungen 68

4.1 Finanzierung und VC-Situation in Deutschland 69

4.2 Qualifikationsbedarf und Fachkrfte 70

4.3 Risikoforschung 73

4.4 Risikokommunikation und -management 75

4.5 Nanotechnologiefrderung in Deutschland 78

4.6 Deutsche Beteiligung an der EU-Forschungsfrderung 80

4.7 Internationale Zusammenarbeit und Standardisierung 81

anhang:

literatur 82

Weiterfhrende Informationen 86

Glossar 87

ZUSaMMENFaSSUNG 3

Zusammenfassung

Die vorliegenden Prognosen bercksichtigen noch nicht

in vollem Mae die auswirkungen der weltweiten

Wirtschaftskrise. Dennoch zeigen die analysen, dass der

Nanotechnologie-Sektor sich auch weiterhin dynamisch

entwickelt. aktuelle Marktprognosen fr nanooptimier-

te Produkte gehen von einer volkswirtschaftlichen

Hebelwirkung der Nanotechnologie auf ein Weltmarkt-

volumen von bis zu 3 Billionen $ bis zum Jahr 2015 aus.

Dies entspricht ca. 15 % der globalen Gterproduktion.

Nanotechnologisches Know-how wird mittelfristig einen

immensen Einfluss auf die Wertschpfung z.B. in den Be-

reichen Gesundheit, Informations- und Kommunikations-

technik sowie der Energie- und Umwelttechnik ausben.

auf der Wertschpfungsstufe von Nanomaterialien und

Gerten zur Herstellung oder analyse von Nanostruk-

turen werden Weltmarktvolumina von ca. 50 Mrd. $ bis

zum Jahr 2010 prognostiziert. In der Nanoanalytik wird

ein anstieg von 2,5 Mrd. $ in 2008 auf 3 Mrd. $ in 2010

vorhergesagt. Im gleichen Zeitraum wird im Bereich

Nanotools ein Weltmarktwachstum von 35 Mrd. $ auf

43 Mrd. $ und bei Nanomaterialien von 1,3 Mrd. $ auf

2,1 Mrd. $ angenommen. Diese abschtzungen liefern

zwar ein realistisches aber auch ein unvollstndiges Bild

der Marktpotenziale der Nanotechnologie, da jeweils

nur ein Teilausschnitt der Flle der unterschiedlichen

Verfahren und Materialklassen betrachtet wird. Fr de-

tailliertere abschtzungen ist eine aufschlsselung auf

einzelne Materialklassen und Verfahren erforderlich, die

im vorliegenden Report beispielhaft dargestellt werden.

Rund 750 Unternehmen in Deutschland befassen sich in

unterschiedlichen Stufen der Wertschpfungskette mit

der Entwicklung und Vermarktung nanotechnologischer

Produkte, Verfahren und Dienstleistungen. Bei rund

80 % der deutschen Nanotechnologieunternehmen han-

delt es sich um KMU.

Ca. 370 Unternehmen in Deutschland sind als Nano tech-

nologie-Kernunternehmen zu bezeichnen, bei denen die

Nanotechnologie einen wesentlichen Teil (mehr als 30 %)

der Geschftsaktivitten ausmacht. Fr den restlichen

anteil der Unternehmen in erster linie Grounterneh-

men und mittelstndische Unternehmen aus klassischen

Industriebranchen stellt die Nanotechnologie eher

eine ergnzende Neben aktivitt dar bzw. reprsentiert

nur einen relativ geringen Teil an der Wertschpfung.

Sowohl von der thematischen ausrichtung als auch

von der Positionierung innerhalb der Wertschpfungs-

kette her gesehen, ist die deutsche Nanotechnologie-

Unternehmens landschaft sehr breit aufgestellt und

umfasst Hersteller im Bereich Nanomaterialien, Nano-

tools, Nanoanalytik und Zubehr fr den Betrieb von

Nanotools (z.B. Vakuum- und Reinraumtechnik, Plasma-

quellen etc.), Hersteller und anwender nanooptimierter

Komponenten und Systeme sowie anbieter von Dienst-

leistungen im Bereich Beratung, lohnbeschichtung,

Technologietransfer, auftragsanalytik und -forschung.

Bei der Nanotechnologie handelt es sich um ein relativ

junges Technologiefeld. Ca. 70 % der Nanotechnologie-

unternehmen sind nach 1985 gegrndet worden. Bei ca.

einem Viertel der Unternehmen spielten bei der Grn-

dung Frdergelder des BMBF, BMWi sowie der landes-

und EU-Ebene eine wichtige Rolle. als weitere wichtige

Faktoren bei der Grndung sind der Know-how Transfer

aus Forschungsinstitutionen sowie die Finanzierung

durch Risikokapital zu nennen.

Die Gesamtzahl der derzeit im Bereich der Nanotechno-

logie Beschftigten in Deutschland wird auf rund

63.000 geschtzt. Der in Deutschland generierte Um-

satz in der Nanotechnologie betrug ca. 33 Mrd. Euro im

Jahr 2007. Der weltweite Nanotechnologie-F&E-aufwand

der in Deutschland aktiven Nanotechnologieunterneh-

men im Jahr 2007 lag bei ca. 4,7 Mrd. Euro. Der mit 97 %

dominierende anteil an den Gesamtforschungsaufwen-

dungen fllt hierbei auf Grounternehmen mit einem

Forschungsaufwand von ber 1 Mio. Euro. Der F&E auf-

wand reprsentiert die weltweiten Inves titionen und

umfasst z.T. auch auslndische Konzerne mit aktivitten

in Deutschland.

Die Nanotechnologieunternehmen weisen eine relativ

hohe Exportorientierung auf. Nur fr ein Fnftel der

Unternehmen ist Deutschland der dominierende absatz-

markt mit einem anteil von > 75 %. Bei ca. der Hlfte der

Unternehmen macht der deutsche Binnenmarkt weni-

ger als ein Viertel des absatzes aus. Den nach Deutsch-

land nchst wichtigsten absatzmarkt stellt Europa dar,

gefolgt von Nordamerika und asien mit ungefhr gleich

groen anteilen. Sonstige Regionen spielen in Bezug auf

absatzmrkte eher eine untergeordnete Rolle.

Die groe Mehrheit der Nanotechnologieunternehmen

rechnet bis zum Jahr 2010 mit steigenden Umsatz- und

Mitarbeiterzahlen sowie Forschungsinvestitionen. Mehr

als die Hlfte der Unternehmen erwarten Umsatzsteige-

rungen von ber 10 % gegenber dem Jahr 2007. auch

wenn zum Zeitpunkt der Befragung das ausma der

weltweiten Finanz- und Wirtschaftskrise noch nicht

absehbar war, zeichnet sich hier doch ein deutlich posi-

tiver Branchentrend fr die nchs ten Jahre ab.

4 EINlEITUNG

1 Einleitung

Die Nanotechnologie hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten von einem nur in Expertenkreisen bekannten Wissenschafts-feld zu einem viel beachteten internationalen Forschungs- und Technologietrend entwickelt. In den Forschungsagenden der fhrenden Industrienationen wird der Nanotechnologie eine Schlsselrolle als eines der aussichtsreichsten Technolo gie-felder mit Innovationspotenzialen in fast allen industriellen Anwendungsfeldern beigemessen. Die dynamische Entwick-lung der Nanotechnologie uert sich dabei nicht nur in einem starken Anstieg der ffentlichen Frdermittel, der Anzahl der Patente und Publikationen in den letzten Jahren, sondern auch an der zunehmenden Verbreitung nanotechno-logischer Produkte auf den Weltmrkten.

Trotz der Flle einschlgiger Publikationen zu Innovations- und Anwendungspotenzialen der Nanotechnologie mangelt es allerdings oftmals an einer quantifizierbaren Bewertung der wirtschaftlichen Bedeutung der Nanotechologie sowie einer transparenten Darstellung des tatschlichen Standes der wirtschaftlichen Umsetzung. Dies liegt zum einen daran, dass die Nanotechnologie als sogenannte enabling technology sehr frh in der Wertschpfungskette einsetzt, wie z.B. bei der Herstellung nanooptimierter Werkstoffe oder nanoskaliger Beschichtungen, daher nur einen kleinen Ausschnitt aus der Wertschpfungskette reprsentiert und im Endprodukt fr den Verbraucher oftmals nicht wahrnehmbar ist. Ein weiterer Grund fr die eher diffuse Wahrnehmung der Nanotechno-logie im Auenfeld ist die Flle unterschiedlicher Verfahren und Anwendungsfelder, die eine definitorische Eingrenzung der Nanotechnologie schwierig machen. Das Spektrum der Nanotechnologie-Anwendungen reicht dabei von Hightech-bereichen wie der Elektronik, Optik, den Life Sciences und Neuer Werkstoffe bis hin zu eher klassischen Branchen wie dem Maschinenbau, dem Textil- und Bauwesen oder auch All-tagsprodukten wie Kosmetika, Sportgerten oder Haushalts-mitteln. Um eine international abgestimmte Sichtweise und Abgrenzbarkeit der Nanotechnologie zu erreichen, werden derzeit von internationalen Standardisierungsgremien wie dem ISO und dem IEC die Grundlagen fr eine vereinheitlichte Nomenklatur und Normierung von nanoskaligen Objekten und Verfahren entwickelt. Allerdings wird dieser Prozess noch einige Jahre in Anspruch nehmen und es ist fraglich, ob sich alle Facetten der Nanotechnologie in einem einheitlichen Definitionsrahmen fassen und von angrenzenden Bereichen wie der Mikrotechnologie oder der Chemie und Werkstoff-technik eindeutig abgrenzen lassen werden.

1.1 Eingrenzung des Technologiefeldes

Als pragmatischen Definitionsansatz werden im Rahmen des vorliegenden Reportes als Nanotechnologie smtliche Verfahren und Prozesse bezeichnet, die sich mit der kontrol-

lierten Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen und Materialien in einer Grenordnung zwischen 1 und 100 Nanometern befassen. In diesem Grenbereich sind z.T. drastische Eigenschaftsnderungen von Werkstoffen und Komponenten zu verzeichnen, die bei der Nanotechnologie fr eine gezielte Funktionsoptimierung technologischer Kom-ponenten eingesetzt werden. Die eigentliche Faszination und technologische Bedeutung der Nanotechnologie resultiert dabei aus der Tatsache, dass beim bergang zu nanoskaligen Strukturen drastische nderungen hinsichtlich der physikali-schen, chemischen und biologischen Materialeigenschaften zu verzeichnen sind. Physikalische Materialeigenschaften eines Festkrpers wie elektrische Leitfhigkeit, Magnetismus, Fluoreszenz, Hrte oder Festigkeit ndern sich fundamental mit der Anzahl und der Anordnung der wechselwirkenden Materiebausteine. Energiezustnde in Nanoclustern sind quantisiert und gehorchen nicht mehr den Gesetzmigkeiten der klassischen Festkrperphysik. Im Nanokosmos werden traditionelle wissenschaftliche Lehrmeinungen oftmals auf den Kopf gestellt und neuartige Phnomene und Effekte werden wirksam. So lsst sich Silizium, das als indirekter Halbleiter nur eine sehr schwache Photolumineszenz zeigt, durch Nanostrukturierung in verschiedenen Farben zum Leuchten anregen. Ein weiteres, sehr bekanntes Beispiel ist der Riesenmagneto widerstandseffekt, dessen Entdeckung im Jahr 1989 durch den deutschen Physiker Grnberg im Jahr 2007 mit dem Nobelpreispreis fr Physik ausgezeichnet worden ist. Der Effekt beschreibt eine drastische nderung des elektrischen Widerstandes in bestimmten nanoskaligen magnetischen Schichtstapeln beim Anlegen uerer magnetischer Felder und bildet die Basis fr hochleistungsfhige Lesekpfe in miniaturisierten magnetischen Festplattenspeicherlaufwer-ken. Auch in Bezug auf die chemischen Materialeigenschaften hat die Nanostrukturierung einen wesentlichen Einfluss. Beim bergang zu nanoskaligen Strukturen steigt das Verhltnis reaktiver Oberflchenatome zu reaktionstrgen Teilchen im Inneren eines Feststoffes drastisch an. So knnen bestimmte nanoporse Substanzen spezifische Oberflchen von mehr als Tausend Quadratmetern pro Gramm aufweisen. Dadurch ha-ben nanostrukturierte Materialien ein enormes Anwendungs-potenzial in Bereichen der Katalyse, der Elektrochemie oder auch Stofftrennung. In der Biologie spielen nanostrukturierte Objekte ebenfalls eine entscheidende Rolle, da nahezu alle biologischen Prozesse von nanoskaligen Strukturbausteinen wie Nukleinsuren, Proteinen und anderen Zellbestandteilen gesteuert werden. Die Nanotechnologie ermglicht dabei zum einen die Aufklrung von Lebensprozessen durch nano-analytische Verfahren wie z.B. der hochauflsenden optischen Mikroskopie und zum anderen neuartige Anstze in der me-dizinischen Therapie (z.B. im Bereich intelligenter Systeme fr den gezielten Wirkstofftransport), der regenerativen Medizin (verbesserte Implantate oder Haut-/Knochenersatz) und der

EINlEITUNG 5

Diagnostik (optimierte in-vitro-Schnelltests, Kontrastmittel etc.). Ebenfalls ein zukunftstrchtiges Forschungsfeld der Na-notechologie ist die technische Nutzung von Verfahren der Selbstorganisation, bei denen einzelne Molekle auf Basis che-mischer Wechselwirkungen und molekularer Erkennungsme-chanismen zu greren Einheiten zusammengesetzt werden. Durch die Nanotechnolgie ergeben sich somit neuartige Mg-lichkeiten fr ein intelligentes Materialdesign, um gewnsch-te Material eigenschaften kombinieren und fr den jeweiligen techni schen Anwendungszweck gezielt anpassen zu knnen.

1.2 Wirtschaftliche Bedeutung der

Nanotechnologie

In vielen Wirtschaftszweigen liefert nanotechnologisches Know-how bereits heute entscheidende Beitrge zur wirt-schaftlichen Wettbewerbsfhigkeit dies insbesondere in den Massenmrkten der Elektronik, der Chemie und der Optischen Industrie. Mittel- bis langfristig werden die Nanotechnologien auch in den Bereichen Automobilbau, den Life Sciences und klassischen Industriezweigen, wie der Bau- und Textilindus-trie, einen erheblichen kommerziellen Einfluss entfalten. Die wirtschaftliche Hebelwirkung der Nanotechnologie ist dabei enorm. Prognosen gehen von einem Weltmarktvolumen nano-optimierter Produkte von bis zu 3 Billionen $ im Jahr 2015 aus (Lux Research 2008 [1]).

Die kommerzielle Umsetzung und Nutzung nanotechno-logischer Effekte und Prinzipien fr innovative und wettbe-werbsfhige Produkte stellen im Hinblick auf eine langfristige Sicherung des Technologie- und Wirtschaftsstandortes in Deutschland eine wichtige Aufgabe dar. Deutschland wird im Bereich der Nanotechnologie im internationalen Vergleich eine fhrende Position bescheinigt und liegt bezogen auf In-dikatoren wie Patentanmeldungen und F&E-Ausgaben hinter den USA und Japan an dritter Position weltweit. Allerdings verschrft sich die internationale Konkurrenz insbeson dere durch asiatische Nationen wie Sdkorea, China oder Taiwan, die erhebliche Ressourcen sowohl von ffentlicher Hand als auch von Seiten der Privatwirtschaft im Nanotecholo-giebereich investieren. Im Bereich der nanowissenschaft-lichen Publikationen ist Deutschland in den letzten Jahren bereits von der 3. Position durch China auf Platz 4 verdrngt worden. Deutschland verfgt ber eine stark ausgeprgte Nanotechnologieszene mit derzeit mehr als 1200 Akteuren, zu denen Grounternehmen, KMU, institutionelle und universi-tre Forschungseinrichtungen, Netzwerke und Kompetenz-zentren sowie Finanz- und Beratungsdienstleister gehren. Die hohe Qualitt der Grundlagenforschung sowie die gut aus-gebaute F&E-Infrastruktur in Deutschland bieten jedoch nach wie vor eine gute Ausgangsposition fr eine wirtschaftliche Umsetzung. Oftmals findet die Vermarktung nanotechnolo-gischer Erkenntnisse jedoch im Ausland schneller statt als in Deutschland. Die kommerzielle Verwertung des GMR-Effektes im Milliardenmarkt der Festplatten-Datenspeicher durch IBM ist eines der bekanntesten Beispiele hierfr. Insbesondere in

den USA und Sdostasien werden nanotechnologische Pro-dukte und Branchenanstze oftmals frher entwickelt als in Deutschland. Die Kommerzialisierung der Nanotechnologie weist in Deutschland demgegenber noch einige Defizite auf. Auch wenn in einigen Teilbereichen der Nanotechnologie deutsche Firmen zu den Weltmarktfhren gehren, wie etwa im Bereich der Nanomaterialien, der Nanoanalytik oder der Na-nooptik, bestehen insbesondere fr KMU noch erhebliche An-wendungsbarrieren u. a. aufgrund von Informationsdefiziten bezglich nanotechnologischer Innovationspotenziale oder mangelnder finanzieller Ressourcen, um investitionsintensive Nanotechnologieentwicklungen auf den Markt zu bringen.

1.3 Nano-Initiative der Bundesregierung

Um die Rahmenbedingungen fr eine effizientere wirt-schaftliche Umsetzung der Nanotechnologie in Deutschland zu verbessern, hat die Bundesregierung im Jahr 2006 die Nano-Initiative Aktionsplan 2010 ins Leben gerufen. Als eine Manahme im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung soll damit eine strkere Vernetzung von Wissenschaft, Wirtschaft, Bildung und ffentlichkeit erzielt werden und neue Anreize zur Bndelung der Krfte gesetzt werden. Zum ersten Mal wird ber alle Ressorts hinweg eine nationale Strategie entwickelt, um erreichte Positionen zu festigen, auszubauen und Deutschland an die Weltspitze der wichtigsten Zukunftsmrkte zu fhren. Zentrale Elemente der Strategie zielen auf den Brckenschlag zwischen Wissen-schaft und Wirtschaft auch international, die Untersttzung des innovativen Mittelstandes, die schnellere Verbreitung neuer Technologien und die Investition in die Kpfe junger Menschen. Erste Erfolge bei der Umsetzung der Nanoinitiative konnten bereits erzielt werden, z.B. im Hinblick auf eine inter-ministerielle Koordination und Verzahnung von Manahmen und Aktivitten der Bundesregierung zu ressortbergreifen-den Fragestellun gen im Bereich der Nanotechnologie u.a. in den Bereichen Umwelt- und Klimaschutz sowie Sicherheits-aspekten von Nanomaterialien. Durch Innovationsallianzen des BMBF werden gemeinsam mit der deutschen Industrie wichtige industrielle Zukunftsfelder erschlossen wie in den Bereichen polymere Solarzellen und Leuchtdioden, Lithium-ionenbatterien fr elektrische automobile Antriebe oder der molekularen Bildgebung fr die medizinische Diagnostik. Das bewhrte BMBF-Frderinstrument der Leitinnovationen zur Nutzbar machung von Nano-Innovationen in fr Deutschland volkswirtschaftlich relevanten Bereichen wurde im Rahmen der Hightech-Strategie auf weitere, mittelstndisch geprgte Branchen wie den Textil- und Bausektor ausgeweitet. Insbe-sondere KMU erhalten dadurch die Gelegenheit neue Wert-schpfungsketten aufzubauen und mit innovativen Produkten neue Mrkte zu erschlieen. Mit dem Frderprogramm Nano geht in die Produktion wird ein entscheidender Beitrag ge-leistet, um Anwendungspotentiale der Nanotechnologien fr neue, technologietaugliche Verfahren und Ausrstungen zu erschlieen, mit denen neuartige, leistungsfhigere Produkte prozesssicher und wirtschaftlich in Deutschland hergestellt

6 EINlEITUNG

werden knnen. Durch die Initiierung von Forschungspro-jekten zur Untersuchung mglicher Risiken durch Nanopar-tikel im Projektcluster NanoCare erfolgte ein wesentlicher Schritt im Hinblick auf eine verantwortungsvolle Nutzung der Nanotechnologie. Darber hinaus wird die Erforschung mglicher Risiken als integraler Bestandteil in die fachlichen Frderprogrammen des BMBF integriert. Die Information der ffentlichkeit u.a. im Rahmen der Informationskampagne nanoTruck sowie ein gesellschaftlicher Dialog zu Chancen und Risiken der Nanotechnologie ist intensiviert worden und bezieht smtliche relevanten gesellschaftlichen Interessens-vertreter ein. Insgesamt ist mit der Nano-Initiative Aktionsplan 2010 damit ein umfangreiches Manahmenbndel initiiert worden, um die Weichen fr eine zielgerichtete Verwertung und Strkung der Nanotechologie in Deutschland zu stellen.

1.4 Ziele des nano.DE-Reportes

Bislang existieren kaum belastbare Indikatoren und Mess gren zur Einschtzung der wirtschaftlichen Bedeutung der Nano-technologie fr den Standort Deutschland. Ca. 750 Unterneh-men, davon ungefhr 600 KMU befassen sich in Deutschland in unterschiedlichen Stufen der Wertschpfungskette mit der Entwicklung und Vermarktung nanotechnologischer Produkte und Verfahren und bilden damit die Basis fr die kommerzielle Umsetzung der Nanotechnologie in Deutschland.

Ein wesentliches Ziel des vorliegenden Reportes ist es, einen fundierten berblick ber die deutschen Nanotechnologieun-ternehmen zu geben, so in Bezug auf Umsatz- und Mitarbeiter-zahlen, den Anteil der Nanotechnologie an den Geschftsakti-vitten sowie deren Produktportfolios zu erhhen. Weiterhin zeigt der Report Beispiele zur Darstellung von Wertschpfungs-ketten fr die jeweiligen Anwendungsbereiche der Nanotech-nologie, eine Abschtzung von Marktpoten zialen in relevanten nanotechnologisch beeinflussten Marktsegmenten sowie eine Analyse der soziokonomischen Rahmenbedingungen fr die Kommerzialisierung der Nanotechnologie in Deutschland.

1.5 Methodischer ansatz

Aus allgemeinen statistischen Wirtschaftsdaten (z.B. Umsatz- und Mitarbeiterzahlen) lassen sich kaum Rckschlsse auf das tatschliche Ausma der wirtschaftlichen Bedeutung und der kommerziellen Umsetzung der Nanotechnologie schlie-en, da die Geschftsaktivitten vieler Firmen nur zu einem bestimmten Anteil der Nanotechnologie zuzurechnen sind. Whrend bei den Nanotechnologie-Kernunternehmen, zu denen insbesondere kleinere Unternehmen und Start-ups zh-len, der Nanotechnologieanteil mit bis zu 100 % angenommen werden kann, gibt es eine Vielzahl von Unternehmen, fr die die Nanotechnologie eher eine Randaktivitt darstellt. Nichts-destotrotz reprsentieren letztere Unternehmen auch einen wesentlichen Anteil der wirtschaftlichen Leistungsfhigkeit und sind im Hinblick auf die Ermittlung aussagekrftiger Indi-katoren zur wirtschaftlichen Bedeutung der Nanotechnologie mit zu bercksichtigen. Als methodischer Ansatz wurde daher

eine direkte Datenerhebung bei den deutschen Nanotechno-logieunternehmen durch eine schriftliche Befragung gewhlt, um eine unmittelbare Selbsteinschtzung der Unternehmen im Hinblick auf das Ausma und die Ausrichtung ihrer Nano-technologieaktivitten zu erhalten. Fr den Report wurde ein Datenbestand von 860 deutschen Unternehmen bercksich-tigt, der zum berwiegenden Teil auf dem vom BMBF ein-gerichteten Internet-Kompetenzatlas Nanotechnologie (www.nano-map.de) basiert. Um ein mglichst vollstn-diges Bild der Nanotechnologie-Unternehmenslandschaft zu erhalten, wurden weitere Unternehmen in die Befragung einbezogen, die sich gem einer Auswertung des BMBF-Frderkataloges in den letzten Jahren an BMBF-Verbundpro-jekten im Bereich der Nanotechnologie beteiligt haben. Bei letzteren handelt es sich nicht zwangslufig um Nanotech-nologieunternehmen, sondern z.T. um weiterverarbeitende Komponenten- und Systemhersteller, die zur Abdeckung der Wertschpfungskette im Verbundprojekt einbezogen wurden, deren Ttigkeitsschwerpunkte aber nicht der Nanotechnolo-gie zuzurechnen sind. Die Unternehmensbefragung wurde im Zeitraum von Mai bis Juni 2008 durchgefhrt.Bei der Befragung wurde ein Rcklauf von 290 Fragebgen er-zielt (Rcklaufquote von 33,7 %). Von den erhaltenen Rcklufen gaben 53 Unternehmen an, nicht im Nanotechnologiebereich aktiv zu sein, so dass insgesamt 237 verwertbare Fragebgen vorlagen. Bezogen auf den derzeit angenommenen Gesamtbe-stand an Nanotechnologie-Unternehmen (740 gem Daten-bestand www.nano-map.de vom November 2008) betrgt die Rcklaufquote verwertbarer Fragebgen somit 32 %.

Um die Datenbasis auszuweiten, wurden zustzlich zur schriftlichen Befragung Informationen aus der Wirtschafts-datenbank Creditreform hinzugezogen, die Firmenprofile zu 1,3 Mio. handelsregisterlich eingetragenen deutschen Unter-nehmen mit Angaben u.a. zu Umsatz- und Mitarbeiterzahlen sowie der Branchenzugehrigkeit gem der Wirtschaftsklas-sifikation WZ93 enthlt. Hieraus konnten 626 verwertbare Fir-menprofile deutscher Nanotechnologieunternehmen gewon-nen werden. Weiterhin wurde eine statistische Auswertung des Datenbestandes des Kompetenzatlas www.nano-map.de in Bezug auf spezifische Anwendungs- und Technologieschwer-punkte der erfassten rund 750 Nanotechnologieunternehmen vorgenommen. Ergnzt wurden die Informationen durch sys-tematische Internetrecherchen zum Produkt- und Leistungs-spektrum der Unternehmen. Fr die Analyse der Rahmenbedingungen fr die Kommer-zialisierung der Nanotechnologie wurden Stellungnahmen ausgewiesener Experten in Deutschland eingeholt. Diese beleuchten die relevanten Aspekte wie die Standardisierung und Normung, den Qualifikationsbedarf, die Situation des Ka-pitalmarktes im Hinblick auf VC-Investitionen im Nanotechno-logiebereich sowie auch Fragestellungen der Risikoforschung, des Risikomanagements und der Risikokommunikation im Zusammenhang mit mglichen ko-toxikologischen Eigen-schaften von Nanomaterialien.

MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE 7

2 Markt- und Anwendungspotenziale der Nanotechnologie

Die Nanotechnologie weist als breite Querschnittstechnologie Innovationspotenziale in fast allen Industriesektoren auf. Das Spektrum des Entwicklungsstandes nanotechnologischer An-wendungen umfasst bereits lange etablierte Nanoprodukte, Entwicklungen in der aktuellen Marktumsetzung bzw. in der Prototypphase sowie langfristige bis visionre Forschungs-

anstze, deren kommerzielle Umsetzung nicht innerhalb der nchsten 10 Jahre zu erwarten ist. In der nachfolgenden Abbil-dung sind Beispiele nanotechnologischer Anwendungen fr unterschiedliche Entwicklungsstufen im jeweiligen industriel-len Anwendungsfeld dargestellt.

Chemische/Biologische (C/B) Schutzsysteme auf Basis sich bei Superabsorbierende Gele zur Selbstheilende Schutzmaterialien

Ziv

ile S

ich

er-

ste

chn

ik Dekontaminationssysteme auf Druckeinwirkung versteifender Neutralisation radioaktiver Frherkennungssysteme auf Basis Nanopartikelbasis Nanofluide Rckstnde vernetzter Nanosensoren/NEMS

Sicherheitsmerkmale auf Basis von Lab-on-Chip-Systeme zur C/B-Filtersysteme auf Basis Biomonitoring-Systeme mit

he

it Nanopartikeln und -pigmenten C/B Diagnostik nanokatalytischer bzw. nano- integrierter molekularer Diagnostik Elektronische Nasen zur Detektion strukturierter Materialien und Medikation

von C/B-Stoffen Nanorhren verstrkte Schutzsysteme

Schmutzabweisende Anstriche und Antibakterielle Farben (Nanosilber) Nanoporse Isolierschume Ultraleichtbaustoffe auf CNT-Basis

Ba

ute

chn

ik Farben Multifunktionale keramische Tapeten Groflchige, flexible Solarzellen als Multifunktionale adaptive IR-reflektierende Nanoschichten fr Brandgeschtzte Glser und Baustoffe Fassadenelemente Fassadenelemente (Energiege--

Wrmeschutzverglasungen Aerogelfassaden, Vakuum - OLED-Beleuchtung winnung, Verschattung, Beleuchtung

Photokatalytische Beschichtungen Isolationspanele Ultrahochfester Beton Baustoffe mit Selbstreparatur-fr Dachziegel, Markisen, PVC-Profile Schaltbare Glser (elektro-/photochrom) Nanooptimierte Asphaltmischungen mechanismus Nanobasierte Versiegelungsschichten

Um

we

lt/ E

ne

rgie Nanostrukturierte Katalysatoren Nanooptimierte Mikrobrennstoff-- Groflchige Polymersolarzellen Knstliche Photosynthese

Nanoschichten fr Korrosions- und zellen/ Batterien Nanosensorik zum Umwelt- Hocheffiziente Quantenpunkt-

Verschleischutz Photokatalytische Luft- und monitoring Solarzellen

Nanomembranen zur Abwasser-- Abwasserreinigung mit nano-TiO2

Thermoelektrische Abwrmenutzung Ressourcenschonende Produktion

reinigung Hitzeschutz fr effiziente Turbinen Effiziente Wasserstofferzeugung durch Selbstorganisation

Antireflexschichten fr Solarzellen Grundwassersanierung mit durch Nanokatalysatoren Effiziente Stromleitung mit

Eisennanopartikeln Selektive Schadstoffabtrennung CNT-Kabeln

Schmutzabweisende Textilien durch UV geschtzte Textilien durch Aktive Wrmeregulierung durch Textilintegrierte Sensorik/ Aktorik fr

Nanopartikel nano-TiO2 Phasen-Wechsel-Materialien aktive Bewegungsuntersttzung,

Antibakterielle Textilien durch Thermoschutzbekleidung mit Elektrisch leitfhige Textilfasern fr Kontrolle von Krperfunktionen, etc.

ext

il

Nanosilber Aerogelen Smart Textiles, Elektrostatik, etc. Textilintegrierte digitale Assistenz-

T Duftimprgnierte Textilien auf Basis Abriebbestndige Fasern durch Textilintegrierte OLED systeme (Human Interfaces)von Nanocontainern keramische Nanopartikel Textilintegrierte Stromerzeugung

(z. B. Cyclodextrine) Nanooptimierte Technische Textilien (z.B. Thermoelektrik, Solar)

Au

tom

ob

ilba

u

Nanostrukturierte Abgaskatalysatoren- Nanopartikel als Dieseladditive Dnnfilmsolarzellen fr Schaltbare, selbstheilende Lacke

Nanobeschichtete Dieselinjektoren LED-Frontscheinwerfer Autodcher Adaptive Auenhaut fr optimalen

Antireflexschichten fr Displays Nanohartschichten fr Nanooptimierte Brennstoffzellen LuftwiderstandThermoelektrische AbwrmenutzungNanostrukturierte Additive fr Reifen Polymerscheiben Intelligente Fahrassisstenz und Ferrofluide fr adaptive Magnetoresistive Sensoren Nanostrukturierte VerkehrserkennungStodmpferKratzfester Klarlack, Effektlacke Leichtbaukomposite Vernetzte Automobile Nanoklebstoffe in der ProduktionNanooptimierte Li-Ionenbatterien

Nanopulver/-Dispersionen (TiO2, SiO

2, ...) Fullerene, Carbon Nanotubes (CNT) Nanoporse Schaumstoffe Selbstheilende Werkstoffe

Nanostrukturierte Industrierue Nano-Polymerkomposite, Schaltbare Klebstoffe Selbstorganisierte komplexe

Ch

em

ie Nanostrukturierte Wirkstoffe und Organische Halbleiter Funktionalisierte Nanomembranen Materialien/ VerbundstoffeVitamine Halbleiterquantenpunkte Knstliche Spinnenseide Molekulare Maschinen

Polymerdispersionen Anorganisch/ Organische Elektrogesponnene Nanofasern Adaptive Multifunktionswerkstoffe

Effektpigmente Hybridkomposite

Ferrofluide Dendrimere

Nanoschichten fr kratzfeste Optische Mikroskope mit EUV Lithographie-Optiken All Optical ComputingKunststoffbrillenglser, Nanoauflsung Quantenpunktlaser Optische Metamaterialien fr

Op

tik Ultraprzisionsoptiken fr Teleskope, Organische Leuchtdioden (OLED) Quantenkryptografie Tarnkappenanwendungen

etc. CNT-Feldemissionsdisplays 3D photonische Kristalle Datenbertragung durch Antireflektionsschichten fr 2D photonische Kristalle fr OberflchenplasmonenGlasentspiegelung LichtleiterLED, Diodenlaser

Festplattenspeicher mit GMR-Lesekopf Siliziumelektronik 32 nm Strukturen MEMS-Speicher (Millipede) Molekularelektronik

Ele

ktro

nik

Siliziumelektronik (Strukturen < 100 nm) CNT-Feldemissionsdisplays CNT-Datenspeicher Quantencomputing

Flash-Speicher MRAM-Speicher Siliziumelektronik 22 nm Strukturen Spintronik-Logiken

Polymerelektronik z. B. fr Phase-Change-Speicher CNT-Interconnects in Schaltkreisen DNA-Computing

Funketiketten

Nanopartikel als Kontrastmittel in Nano-Krebstherapie (Hyperthermie) Biokompatible, optimierte Knstliche Organe durch

der Diagnostik Nanostrukturiertes Hydroxylapatit Implantate Tissue-Engineering

Me

dM

ed

izin Nanoskalige Drug-Carrier als Knochenersatzmaterialien Nanosonden und -marker fr Theranostics

Quantenpunktmarker fr die Neurogekoppelte Elektronik fr Biochips zur in-Vitro-Diagnostik molekulare Bildgebung/ DiagnostikDiagnostik Mensch-Maschine-Schnittstellen Nanomembranen fr die Dialyse Selektive Drug-Carrier

und aktive ImplantateKontroll. Wirkstoffabgabe bei

Implantaten

Etablierte Nanoprodukte Markteintritt Prototyp Konzept

Jahre bis zur Kommerzialisierung0 - 3 Jahre 4 - 10 Jahre > 10 Jahre

Beispiele fr Anwendungsspektrum und Zeitperspektiven nanotechnologischer Entwicklungen. (Quelle: VDI TZ)

8 MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE

bersicht zu nanotechnologisch beeinflussten

Marktpotenzialen

Die wirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologie anhand des Volumens eines Nanotechnologieweltmarktes abzu-schtzen, ist aufgrund des Querschnittscharakters und der unscharfen Eingrenzbarkeit weder sinnvoll noch praktikabel. Weder lassen sich smtliche nanooptimierte Komponenten in der Vielzahl der Anwendungsfelder vollstndig erfassen, geschweige denn mit Marktwerten quantifizieren, noch ist der Anteil der Nanotechnologie an der Wertschpfung der jewei-ligen Komponenten und Produkte transparent ableitbar.

Die Nanotechnologie sorgt oftmals fr die Optimierung einzelner Komponenten eines Produktes z.B. durch leistungs-fhigere Materialien oder die Nutzung nanoskaliger Effekte, die fr die Wettbewerbsfhigkeit des Produktes entscheidend, fr den Anteil am Gesamtwert des Produktes aber eher ver-nachlssigbar sind. Ohne Anwendung nanotechnologischer Verfahren und Komponenten wren Produkte in vielen In-dustriezweigen jedoch hufig nicht konkurrenzfhig (z.B. Festplattenspeicher, Computerchips, Ultraprzisionsoptiken etc.). Der Einsatz nanotechnologischer Verfahren (z.B. Litho-grafieverfahren zur Herstellung von Nanostrukturen in der Elektronik) ist hier zwingend erforderlich und wird z.T. auch schon seit Jahren praktiziert und weiterentwickelt. In anderen Anwendungsfeldern bietet die Nanotechnologie einen Mehr-wert fr den Kunden durch hochwertige Zusatzfunktionen und Leistungsmerkmale, die mit konventionellen Verfah-ren nicht erreicht werden knnen. Ein Beispiel hierfr sind nano-optimierte Komponenten in einem Automobil, wie z.B. verschleifeste Motorbauteile, kratzfeste Lacke, effiziente Ab-gaskatalysatoren oder rollwiderstandsoptimierte Gummimi-schungen in Reifen.

Fr eine genaue Angabe des Marktpotenzials der Nano-technologie stellt sich also die Schwierigkeit, dass einzelne nanoskalige Komponenten wie Nanoschichten oder Nanofll-stoffe kaum monetr quantifiziert werden knnen. Gleiches gilt fr deren Einfluss auf die Alleinstellungsmerkmale der optimierten Produkte sowie den daraus resultierenden Mehr-wert fr den Kunden. Bei Bercksichtigung des einfach zu be-stimmenden Marktwertes des gesamten Produktes (z.B. eines Automobils oder eines Computers) als Nanoprodukt wird die wirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologie sicherlich berbewertet. Auf der anderen Seite wrde bei einer bloen Aufsummierung des Marktwertes einzelner Nanomaterialien und -Komponen ten die wirtschaftliche Bedeutung der Nano-technologie unterschtzt, da ihre Hebelwirkung als enabling technology unbercksichtigt bliebe.

Fr eine praktikable Abschtzung des wirtschaftlichen Potenzials der Nanotechnologie bietet sich daher ein differen-zierter Ansatz an, der zum einen konkrete Marktsegmente auf der Wertschpfungsstufe marktgngiger Nanomaterialien und Tools/Equipment zur Herstellung von Nanostrukturen

quantifiziert und zum anderen die Hebelwirkung auf die Marktvolumina nanotechnologisch beeinflusster Komponen-ten und Anwendungen beschreibt. Ein Beispiel fr die Ein-schtzung der volkswirtschaftlichen Hebelwirkung der Nano-technologie stellt die Marktprognose von Lux Research dar, die fr die Wertschpfungsstufe nanooptimierter Produkte einen Anstieg des Weltmarktvolumens von 147 Mrd. $ im Jahr 2007 auf ca. 3 Billionen $ im Jahr 2015 prognostiziert bei einer durchschnittlichen jhrlichen Wachstumsrate (CAGR) von 46 % [1]. Den grten Einfluss soll die Nanotechnologie dabei auf den Bereich der Materialien und der Produktionstechnik aus-ben (Anstieg von 97 Mrd. in 2007 auf 1700 Mrd. in 2015), gefolgt vom Elektronikbereich (u.a. Halbleiter, Displays, Batterien) mit einem Wachstum von 35 Mrd. $ in 2007 auf 970 Mrd. $ in 2015 sowie dem Gesundheitsbereich (Pharmazie, Medizintechnik und Diagnostik) mit einem Anstieg von 15 Mrd. $ in 2007 auf 310 Mrd. $ in 2015.

Entwicklung des Weltmarktes nanooptimierter Produkte. (Quelle: Lux Research 2008)

Das Marktpotenzial der Nanotechnologie im Jahr 2015 entsprche ca. 5 % des Weltsozialproduktes bzw. 15 % des Indus-triegtermarktes und wrde bedeuten, dass ein groer Teil der globalen Gterproduktion z.B. in den Bereichen Gesundheit, Informations- und Kommunikationstechnik sowie der Ener-gie- und Umwelttechnik auf der Anwendung nanotechnologi-schen Know-hows basieren wrde. Andere Abschtzungen ge-hen fr den genannten Zeitraum von Weltmarktpotenzialen nanotechnologisch optimierter Produkte in einer Grenord-nung von 1 bis 1,5 Billionen $ aus (vgl. z.B. NSF 2001[2]).

Die zitierten Prognosen knnen sicherlich nur als grobe und pauschale Schtzgre gewertet werden, da unklar ist, welche konkreten Komponenten mit welchen Marktvolumina in die Bewertung einflieen. Whrend die genannten Zahlen jedoch zumindest eine Orientierungshilfe zur Bewertung der volkswirtschaftlichen Hebelwirkung der Nanotechnologie geben knnen, erfordern marktwirtschaftlich orientierte Po-tenzialanalysen wesentlich detailliertere und differenziertere Aufschlsselungen nach den jeweiligen Marktsegmenten. Beispiele fr Abschtzungen von Marktvolumina nanotech-nologischer Produkte auf der Wertschpfungsstufe von Nano-materialien, Nanotools und nanotechnologisch optimierter Komponenten sind in den nachfolgenden Tabellen

MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE 9

zusammengefasst. Auf der Ebene der Nanomaterialien und Nanotools lassen sich hierbei sehr konkrete Abschtzungen der Marktpotenziale vornehmen, die von Nanotechnologie-unternehmen realisiert werden knnen. Im Bereich der Na-nomaterialien wird von BCC ein Anstieg des Marktvolumens von 1,3 Mrd. $ auf 2,1 Mrd. $ in 2010 prognostiziert. Die Zahlen von Freedonia liegen in einer hnlichen Grenordnung und sagen einen Anstieg von 1 Mrd. $ in 2006 auf 4 Mrd. $ in 2011 bei einer durchschnittlichen jhrlichen Wachstumsrate von 32 % voraus. Insbesondere im Bereich neuer Nanomaterialien wie Fullerenen, Kompositen und Quantenpunkten werden teilweise hohe zweistellige jhrliche Wachstumsraten in den nchsten Jahren prognostiziert, die eine dynamische Entwick-lung und Verbreitung neuer nanobasierter Komponenten und Produkte erwarten lassen.

Im Bereich der Nanoanalytik (Elektronen-, Ionen- und Raster-sondenmikroskopie, optische Mikroskopie und Zubehr) wird ein moderates Wachstum von 2 Mrd. $ in 2008 auf 3 Mrd. $ in 2010 prognostiziert. Das Marktsegment der Nanotools (CVD, PVD, Lithografie und Nanopositionierungssysteme) wird auf 35 Mrd. $ in 2008 und 43 Mrd. $ in 2010 geschtzt.

Diese Marktabschtzungen liefern zwar ein realistisches aber auch ein unvollstndiges Bild der Nanotechnologiepotenziale, da jeweils nur ein Teilausschnitt der Flle der unterschiedli-chen Verfahren und Materialklassen betrachtet wird. Fr noch detailliertere Abschtzungen ist eine Aufschlsselung auf einzelne Materialklassen und Verfahren erforderlich. In den nachfolgenden Tabellen sind einige Beispiele auf der Ebene der Nanomaterialien, Nanoanalytik, Nanotools und nanoopti-mierter Komponenten zusammengestellt.

Prognosen zur Entwicklung der Marktpotenziale im Bereich Nanotools. (Quellen: BCC 2007 [21], Frost 2007[26], Innoresearch 2007 [28], BCC 2008 [29])

Prognosen zur Entwicklung der Marktpotenziale im Bereich Nanomaterialien. (Quellen: BCC 2007[4], [5], [6])

Entwicklung der Marktpotenziale im Bereich Nanoanalytik. (Quellen: BCC 2007[22],[25])

10 MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE

bersicht zu Marktpotenzialen im Bereich Nanomaterialien, Nanoanalytik und Nanotools

Marktsegment Weltmarktvolumen/Bezugsjahr CaGR Quelle

Nanomaterialien und -beschichtungen

Nanomaterialien (Gesamtmarkt) 1 Mrd. $/2006 4 Mrd. $/2011 32 % Freedonia 2007 [3]

Nanomaterialien fr energetische, katalytische und 365 Mio. $/2007 1,3 Mrd. $/2012 30 % BCC 2007 [4]

strukturelle Applikationen

Nanomaterialien fr elektronische, magnetische und 522 Mio. $/2007 1,1 Mrd. $/2012 17 % BCC 2007 [5]

optoelektronische Applikationen

Nanomaterialien fr biomedizinische, pharmazeu- 205 Mio. $/2007 684 Mio. $/2012 27 % BCC 2007 [6]

tische und kosmetische Applikationen

Sol-Gel basierte Materialien 1 Mrd. $/2006 1,4 Mrd. $/2011 9 % BCC 2006 [7]

Kohlenstoffnanorhren /CNT) 79 Mio.$/2007 807 Mio. $/2011 78 % BCC 2007 [8]

181 Mio. $/2006 1,9 Mrd. $/2010 80 % Electronics ca. 2007 [9]

Einwandige CNT 78 Mio. $/2006 5 Mrd. $/2012 200 % Electronics ca. 2007 [9]

Mehrwandige CNT 290 Mio. $/2006 650 Mio. $/2010 22 % Electronics ca. 2007 [9]

C60 Fullerene 3 Mio. $/2005 60 Mio. $/2010 82 % Lux Research 2007 [10]

CNT-Komposite 43 Mio. $/2006 451 Mio. $/2006 80 % BCC 2007 [8]

Metallische Nanopulver (Silber etc.) 89 Mio. $/2005 770 Mio. $/2010 53 % Lux Research 2007 [10]

Keramische Nanopulver (US-Markt) 220 Mio. $/2006 580 Mio. $/2011 21 % BCC 2006 [11]

Nanofasern (ohne CNT) 48 Mio. $/2007 176 Mio. $/2012 30 % BCC 2007 [12]

Zeolithe 2,5 Mrd. $/2007 2,9 Mrd. $/2010 5 % UTM 2003 [13]

Quantum Dots 4 Mio. $/2005 38 Mio. $/2010 56 % Lux Research 2007 [10]

25 Mio. $/2008 700 Mio. $/2013 94 % BCC 2008 [14]

Aerogele 62 Mio. $/2006 950 Mio. $/2011 72 % BCC 2006 [15]

Elektrisch leitfhige Polymerkomposite 1,4 Mrd. $/2007 1,9 Mrd. $/2013 5 % BCC 2008 [16]

Elektrisch leitfhige Polymere 146 Mio. $/2007 361 Mio. $/2013 16 % BCC 2008 [16]

Dendrimere 12 Mio. $/2005 42 Mio. $/2010 28 % Lux Research 2007 [10]

Nanomaterialien fr die Nanoelektronik 246 Mio. $/2005 1,1 Mrd. $/2010 35 % Sheet 2006 [17]

Biomarker 5,6 Mrd. $/2007 12,8 Mrd. $/2012 18 % BCC 2007 [18]

Hartschichten aus Kohlenstoff oder Keramiken 530 Mio. $/2007 1 Mrd. $/2012 14 % BCC 2007 [19]

(z.B. Diamond-like-Carbon oder Bornitrid)

Strahlungshrtende Beschichtungen 1,4 Mrd. $/2007 1,8 Mrd. $/2012 6 % Chemark 2007 [20]

PVD Materialien 1,8 Mrd. $/2008 2,2 Mrd. $/2013 11 % BCC 2005 [21]

Nanoanalytik

Mikroskopie und Zubehr 2,3 Mrd. $/2007 3,6 Mrd. $/2012 9 % BCC 2007 [22]

1,9 Mrd. $/2006 3,5 Mrd. $/2013 9 % Frost 2007 [23]

Elektronen-(und Ionen-)mikroskopie 1,2 Mrd. $/2007 1,8 Mrd. $/2012 9 % BCC 2007 [22]

Rasterelektronenmikroskope 390 Mio. $/2007 600 Mio. $/2012 9 % BCC 2007 [25]

Rastersondenmikroskopie 500 Mio. $/2007 1,2 Mrd. $/2012 19 % BCC 2007 [22]

Optische Mikroskopie 550 Mio. $/2007 702 Mio. $/2012 5 % BCC 2007 [22]

SNOM 15 Mio. $/2007 k.A. VDI TZ 2008 [24]

Nanotools

Lithografiestepper 7,8 Mrd. $/2006 10 Mrd. $/2010 7 % Frost 2007 [26]

Nanoimprint 10 Mio. $/2007 k.A. Obducat 2007 [27]

Piezoelektrische Aktuatoren und Motoren 10,6 Mrd. $/2007 19,5 Mrd. $/2012 13 % Innoresearch 2007 [28]

Ionenimplantation 2,7 Mrd. $/2008 4,4 Mrd. $/2013 10 % BCC 2008 [29]

Physikalische Abscheideverfahren (PVD-Equipment) 9,9 Mrd. $/2008 16,7 Mrd. $/2013 10 % BCC 2007 [21]

MBE-Equipment 475 Mio. $/2008 701 Mio. $/2013 8 % BCC 2008 [29]

Chemische Abscheideverfahren (CVD-Equipment) 7 Mrd. $/2007 11,8 Mrd. $/2013 10 % BCC 2008 [29]

Metallorganische CVD (MOCVD Equipment) 250 Mio. $/2007 290 Mio. $/2008 16 % VLSI Research 2007 [30]

MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE 11

bersicht zu Marktpotenzialen nanooptimierter Komponenten und Produkte in verschiedenen anwendungsfeldern

Marktsegment Weltmarktvolumen/Bezugsjahr CaGR Quelle

Elektronik

Druckbare/Organische Elektronik (Logikchips, OLED, 1,2 Mrd. $/2007 48,2 Mrd. $/2017 45 % IDTechEX 2008 [31]

Solar)

CMOS Elektronik mit Strukturgren < 100 nm 20 Mrd. $/2006 k.A. DIW 2007 [32]

Medizin

Nanotechnologie im Gesundheitsmarkt (US-Markt) 8 Mrd. $/2006 119 Mrd. $/2021 20 % Ernst&Young 2007 [33]

23 Mrd. $/2006 53 Mrd. $/2011 18 % Freedonia 2007 [34]

Nanomedizin (Monoklonale Antikrper, Medikamente 6 Mrd. $/2006 70 Mrd. $/2021 18 % Ernst&Young 2007 [33]

mit nanoskaligen Wirkstofftransportern; US-Markt) 18 Mrd. $/2006 39 Mrd. $/2011 17 % Freedonia 2007 [34]

Nanotechnologische Implantate und Medizinprodukte 430 Mio. $/2006 39 Mrd. $/2021 35 % Ernst&Young 2007 [33]

(US-Markt; Knochenersatz, Stents, Wundauflagen...) 400 Mio. $/2006 5,2 Mrd. $/2011 67 % Freedonia 2007 [34]

Nanomedizinische Analytik und Diagnostik 1,9 Mrd. $/2006 6 Mrd. $/2021 8 % Ernst&Young 2007 [33]

(Kontrastmittel, Biochips, Biomarker; US-Markt) 3,1 Mrd. $/2006 8,4 Mrd. $/2011 9 % Freedonia 2007 [34]

Optik

Optische Datenbertragung (Optische Filter/Verstrker, 1,7 Mrd. $/2006 2,5 Mrd. $/2009 13 % BCC/Strategies

Fasern, Switches und Laserdioden) Unlimited 2006 [25]

Flach-Displays (OLED, FED, Plasma, LCD) 60 Mrd. $/2006 90 Mrd. $/2009 14 % Display Search 2006 [26]

LED-Beleuchtung 3,8 Mrd. $/2006 6,8 Mrd. $/2009 21 % BCC 2006 [37]

OLED 615 Mio. $/2005 2,9 Mrd. $/2011 29 % LEDs Magazine 2005 [38]

Optische Datenspeicher (Laserdioden, Holografische 3,1 Mrd. $/2006 6,5 Mrd. $/2009 28 % BCC/Strategies

Speicher) Unlimited 2006 [39]

Optische Interconnects 400 Mio. $/2006 0,7 Mrd. $/2009 25 % BCC 2006 [40]

Umwelt-/Energietechnik

Nanofiltrationsmembranen 89 Mio. $/2006 310 Mio. $/2012 26 % BCC 2007 [41]

Nanoanwendungen im Energiebereich 2,6 Mrd. $/2007 17 Mrd. $/2011 60 % Cientifica 2007 [42]

Energiewandlung (Dnnschichtsolarzellen) 114 Mio. $/2007 2,5 Mrd. $/2011 105 % Cientifica 2007 [42]

Energiespeicherung (Batterien, Superkondensatoren, ...) 823 Mio. $/2007 2,5 Mrd. $/2011 32 % Cientifica 2007 [42]

Energieeffizienz (CNT-Komposite, Beleuchtung, ...) 1,62 Mrd. $/2007 12 Mrd. $/2011 65 % Cientifica 2007 [42]

Solarenergie 17,2 Mrd. $/2007 30 Mrd. $/2010 20 % Solarbuzz 2008, [43]

CLSA 2004 [44]

Thermoelektrika 1 Mrd. $/2007 k.A. WING 2007 [45]

Dnnschichtsolarzellen (CdTe, CIGS, Silizium) 800 Mio. $/2007 2 Mrd. $/2010 36 % WTC 2007 [46]

Brennstoffzellen (SOFC, PEM) 1 Mrd. $/2010 21,5 Mrd. $/2020 36 % BASF Fuel Cells [47]

Lithiumionenbatterien 4,6 Mrd. $/ 2006 6,3 Mrd. $/ 2012 5 % BCC 2007 [48]

Superkondensatoren 272 Mio. $/ 2006 560 Mio. $/ 2011 15 % Innoresearch 2006 [49]

12 MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE

2.1 Chemie

Branchenstruktur und MrkteDie chemische Industrie ist mit einem Umsatz von ca. 170 Mrd. Euro und ca. 435.000 Beschftigten (Stand 2007) der viertgrte Wirtschaftszweig in Deutschland. Mit einem Auenhandels-anteil von ca. 2/3 des Gesamtumsatzes weist die Chemische Industrie eine starke Exportorientierung auf. Weltweit ist Deutschland nach den USA, China und Japan der viertgrte Chemikalienproduzent. Nach einem krftigen Wachstum des weltweiten Chemiemarktes in den Jahren 2006 und 2007 sieht sich die Branche infolge des globalen Konjunkturabschwunges einer kritischen Entwicklung der Absatzmrkte gegenber. Dementsprechend wichtiger wird es fr die deutsche Chemie-industrie in Zukunft sein, sich durch innovative Produktent-wicklungen Wettbewerbsvorteile gegenber Konkurrenten insbesondere im asiatischen Raum zu verschaffen. Die Aus-gangsposition der deutschen Chemieindustrie ist dabei gut. Im Hinblick auf die Forschungsleistungen und die Umsetzung von Innovationen in der Chemischen Industrie nimmt Deutsch-

land einen internationalen Spitzenplatz ein. Grundlage dafr sind die umfangreichen Forschungsaktivitten international fhrender Chemiekonzerne, einer Vielzahl mittelstndischer innovativer Chemieunternehmen sowie ein groes Spektrum an institutionellen und universitren Forschungseinrichtungen. Die chemische Industrie hat dabei als Hersteller innovativer Vorprodukte eine Hebelwirkung auf die Innovationskraft einer Vielzahl weiterer Industriebranchen wie der Automobilindu-strie, der Bauindus trie oder auch des Pharma- und Elektronik-bereiches.

Beispiele fr Innovationspotenziale der NanotechnologieDurch Eigenschaftsnderungen nanostrukturierter Materia-lien lassen sich die Funktionalitt und die Eigenschaften nahe-zu smtlicher Werkstoffklassen optimieren. Von der Flle der erzielbaren Effekte und Eigenschaftsverbesserungen durch die Anwendung der Nanochemie und Nanomaterialien in verschiedenen Applikationsbereichen sind in der folgenden Tabelle einige Beispiele zusammengestellt.

Funktionalitt anwendungsbeispiele

Optisch

Farbeffekte

Selektive Lichtleitung

Antireflektion

IR-Reflektion/-Absorption

Licht-/Stromkonversion (Photovoltaik)

Licht-/Wrmekonversion (Solarthermie)

Photochromie

Mechanisch

Zugfestigkeit

Kratzfestigkeit

Hrte

Reifestigkeit

Schlagzhigkeit

Gasdichtigkeit

Transparente, hochwirksame UV-Schutzmittel auf Basis von ZnO- oder TiO -2

Nanopartikeln fr Sonnenschutzcremes, Textilien oder Holzoberflchen.

Antireflexschichten auf Basis nanoporser Siliziumdioxidschichten fr Solarzellen

und Architekturglas.

Changierende Farbeffekte in Abhngigkeit des Betrachtungswinkels auf Basis von

nanobeschichteten SiO -Plttchen fr Lacke und Kosmetika (Interferenzpigmente) 2

bzw. durch optische Gitterstrukturen (Interferenzschichten).

Transparente nanoskalige IR-Absorber als Hitzeschutz fr Plexiglasber dachungen

und Wintergrten.

Transparente nanoskalige Silber-IR-Reflektionsschichten in Wrmeschutzverglasungen.

Photochrome Schichten auf Basis von Wolframtrioxid fr abtnbare Fenster.

Photonische Kristalle zur selektiven Lichtleitung in der optischen Datenbertragung

auf Basis regelmig angeordneter Nanocluster.

Effizientere Photovoltaik durch Optimierung des Lichteintrages (Photonen-

management) und Lichtkonversion durch Nanostrukturen (z.B. Quantenpunkte)

sowie kostengnstige Materialien und Verfahren (Dnnschicht-, Farbstoff- und

Polymerzellen).

Nanostrukturierte Absorberschichten zur Maximierung des Energieeintrages bei der

Solarthermie.

Verschleiminderung mechanisch hoch belasteter Komponenten und Werkzeuge

durch diamanthnliche oder keramische Nanoschichten.

Kratzfeste Beschichtungen durch Inkorperation anorganischer Nanopartikel in

Klarlacke oder transparente Plasmabeschichtungen von Kunststoffoptiken.

Leichtbauwerkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften auf Basis

Nanopartikel/-faser verstrkter Komposite, nanostrukturierter Metall-Matrix-

Komposite, organisch-anorganischen Hybridmaterialien oder ultra-hochfester

Betone.

Verbesserte Zug- und Bruchfestigkeit durch Einbau von Kohlenstoff nanorhren

in Werkstoffmatrizes z.B. zur Verstrkung von Sportgerten (Tennis-/Golf-/

Eishockeyschlger, Fahrradrahmen).

Gasdichte Folien fr Verpackungen im Lebensmittelbereich durch schichtfrmige

Nano-Silikate in Polymerkompositen.

MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE 13

Funktionalitt anwendungsbeispiele

Elektronisch/elektrisch Elektrisch leitfhige Polymere durch Einarbeitung von Kohlenstoffnano rhren

Leitfhigkeit in die Polymermatrix fr antistatische Anwendungen und elektromagnetische

Dielektrische Schichten Abschirmung.

Supraleitung Verbesserte Hochtemperatur-Supraleiter durch nanoskalige Substrukturen

Thermoelektrizitt fr erhhte Stromtragfhigkeit sowie kostengnstige Sol-Gel-Materialien zur

Elektrochemische Energiespeicherung Schichterzeugung.

Effizientere Thermoelektrika zur Stromumwandlung von Wrme durch nanostruktu-

rierte Halbleiterverbindungen.

Nanoporse low-k-Schichten zur Verringerung der Leitungsverzgerung in CMOS-

Schaltkreisen.

Chemisch Antibeschlagschichten durch superhydrophile Titandioxidnanobeschichtungen fr

Superhydrophilie Glser und Auenspiegel im Kraftfahrzeug.

Superhydrophobie Schmutzabweisende Beschichtungen u.a. durch Nanopartikel modifizierte Fluor-

Korrosionsschutz Siloxan-/Silan-Beschichtungsmittel fr Textilien, Einrichtungsgegenstnde und

Katalyse Fassadenoberflchen.

Flammschutz Brandschutzfenster auf Basis transparenter, nanopartikulrer Brandschutzgele

Brandschutz und Schichten, die bei Hitzeeinwirkung ultrafeine Gasblschen mit stark Hitze

Adsorptionsfhigkeit isolierender Wirkung bilden.

Adhsionskraft Flammhemmende Wirkung bei Kunststoffgehusen und -kabeln durch Einbau

Lsungsvermgen katalytischer Nanopartikel in die Polymermatrix, die durch beschleunigte Bildung

nichtbrennbarer Verkokungsrckstnde ein Ausbreiten von Flammen verhindern.

Antifingerprintschichten fr Edelstahl- und Metalloberflchen auf Basis dnner

Glasbeschichtungen.

Effiziente Adsorbentien zur Gasspeicherung oder zur Entfernung von Schadstoffen

durch vergrerte aktive Oberflchen und einstellbare Porengren.

Thermisch Nanostrukturierte Hitzeschutzschichten und Legierungen fr Turbinenwerkstoffe, um

Hitzeschutz bei erhhten Arbeitstemperaturen bessere Energiewandlungsgrade zu erreichen.

Wrmeisolation Superisolierende Nanoschume (Aerogele, Polymerschume) zur Wrmeisolation in

Wrmeleitung Gebuden und Industrieprozessen.

Wrmespeicherung Bessere Wrmeleitung durch Nanofluide und Nanokompositwerkstoffe auf CNT-

Basis in Industrieprozessen oder der Solarthermie.

Effiziente Wrmespeicherung durch mikro-/nanoverkapselte Phasenwechsel-

materialien, die in Fassadenkomponenten integriert werden.

Magnetisch Nanokristalline weichmagnetische Eisenlegierungen, denen sich auergewhn-

Weichmagnetische Materialien liche magnetische Eigenschaften aufprgen lassen u.a. fr leistungsfhige

Magnetoelektronik Komponenten in Stromnetzen (z.B. Ringbandkern, Transformatoren, Drosselspulen).

Magnetorheologie Magnetische Schichtstapel mit Riesenmagnetowiderstandseigenschaften fr

Magnetische Induktionserwrmung magnetoelektronische Sensoren und Datenspeicher.

Dispersionen oberflchenstabilisierter nanoskaliger Eisenpartikel (Ferrofluide) mit

magnetisch steuerbarer Viskositt fr Dichtungen, Stodmpfer etc.

Eisennanopartikel zur Wrmeerzeugung mittels elektromagnetischer Wechselfelder

(z.B. fr schaltbare Klebstoffe oder die hyperthermale Krebstherapie).

Biologisch Antimikrobielle Ausrstung von Kunststoffen in der Medizintechnik, Mobiliar-

Antimikrobielle Wirkung oberflchen, Textilien durch Silber-Nanopartikel.

Bioverfgbarkeit Hhere Bioverfgbarkeit von medizinischen Wirkstoffen und Nahrungsergn-

Biokatalyse zungsstoffen durch liposomale Verkapselung und Nanoemulsionen.

Molekulare Erkennung Nanopartikel als Transportbehlter fr die Einschleusung von Genmaterial in Zellen

Biokompatibilitt (Genvektoren) in der Gentherapie.

Zellgngigkeit Molekulare Erkennung von erkrankten Zellen fr effektiven Wirkstofftransport durch

oberflchenfunktionalisierte Drug-Delivery-Systeme.

Nanostrukturierte Implantatoberflchen und nanopartikulre Knochenersatz ma-

terialien fr erhhte Biokompatibilitt in der regenerativen Medizin.

Nanostrukturierte Template und Trgersubstanzen fr effiziente Biokatalysatoren.

Beispiele fr mgliche Eigenschaftsoptimierungen durch Nanomaterialien

14 MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE

Der Fortschritt der Materialwissenschaften und die Ent-wicklung neuer Materialien und Werkstoffe sind eng ver-knpft mit der Nanotechnologie. Nanomaterialien sind in vielen Bereichen der chemischen Industrie die Basis fr die Erzeugung und Weiterentwicklung hochwertiger Spezial-chemikalien. In einigen Bereichen der Chemischen Industrie wie der Herstellung von Industrieruen, Pigmenten, Polymer-dispersionen und Kolloiden ist die Anwendung nanostruktu-rierter Materialien lange etabliert. In den letzten Jahren hat sich das Spektrum kommerziell verfgbarer Nanomaterialien jedoch deutlich erweitert. Die Produktionskapazitten neuer Materialklassen wie Kohlenstoffnanorhren oder organischer Halbleiter werden derzeit auf einen industriellen Mastab hochskaliert. Die Abschtzungen des Weltmarktes fr Na-nomaterialien differieren stark, was in erster Linie auf eine unscharfe Abgrenzbarkeit des Begriffes zurckzufhren ist. Zwar existiert mittlerweile eine Definition des ISO, nach der smtliche Materialien mit ueren und/oder inneren Dimen-sionen bzw. Oberflchenstrukturen auf der Grenskala zwi-schen 1 und 100 nm dem Begriff Nanomaterialien zuzurechnen sind (vgl. Kapitel 4.7). In der Praxis wird die Zuordnung gem dieser Definition allerdings kaum praktikabel sein, da eine Vielzahl von Materialien zumindest einen Anteil an Strukturen aufweist, die prinzipiell der Nanoskala zuzurechnen wren (z.B. Korngren- und Phasenverteilung, Oberflchendefekte, Monomerstrukturen). Der vorliegende Report fokussiert daher auf Nanomaterialien, bei denen die Nanostrukturen gezielt hergestellt und unmittelbar auf die Nanoskaligkeit rckfhr-bare, technisch nutzbare Material eigenschaften aufweisen, die verbesserte Komponenten und Produkte ermglichen. Nicht in Betracht gezogen wurden etablierte Industriepro-dukte wie Carbon Black, pyrogene Kieselsure oder nanoska-lige Polymerdispersionen, mit denen seit Jahren Umstze in Milliardenhhe erzielt werden. Zu den neueren Nanomate-rialien mit kommerzieller Bedeutung zhlen beispielsweise nanostrukturierte Pulver von Metalloxiden und Metallen, nanostrukturierte Silikate, Fullerene und Kohlenstoffnano-rhren, organische Makromolekle wie Dendrimere oder Cyclodextrine, organische Halbleiter sowie Quantenpunkte. Nach Abschtzungen von Freedonia wird der Weltmarkt von Nanomaterialien von ca. 1 Mrd. $ in 2006 auf ber 4 Mrd. $ im Jahr 2011 ansteigen [3]. Abschtzungen in hnlicher Grenordnung werden von BCC gemacht. Demnach wird der Weltmarkt nanopartikulrer Materialien im Bereich energetischer, katalytischer und struk-tureller Applikationen von 365 Mio. $ in 2007 auf 1,3 Mrd. $ in 2012, im Bereich elektronischer, magnetischer und optoelek-tronischer Applikationen von 522 Mio. $ in 2007 auf 1,1 Mrd. $ in 2012 sowie im Bereich biomedizinischer, pharmazeutischer und kosmetischer Anwendungen von 205 Mio. $ in 2007 auf 684 Mio. $ im Jahr 2012 ansteigen [4], [5], [6].

Im Folgenden werden die im Hinblick auf kommerzielleAnwendungsfelder und Mrkte relevantesten Nanomaterial-klassen beschrieben.

Metalloxide Metalloxide zhlen zu den etablierten Nanomaterialien, von denen insbesondere Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zinn-oxid, Titandioxid, Zinkoxid, Eisenoxid, Ceroxid oder Indium-zinnoxid (ITO) kommerziell bedeutsam sind. In Abhngigkeit vom Herstellungsverfahren weisen Metalloxidpulver und -pigmente generell nanoskalige Anteile im Bereich der Primr-partikel auf, die im Herstellungsprozess zu greren Einheiten aggregieren. Durch Verfahrensoptimierungen im Bereich der Pulversynthese und der Anwendung spezieller Beschichtungs-verfahren lsst sich das Agglomerationsverhalten der Pulver im Produktionsprozess kontrollieren und eine definierte Korngrenverteilung im Nanobereich erzielen. Eine gute Kontrolle der Partikeldurchmesser gelingt bei Herstellung von Nanopulvern und Dispersionen in Flssigphasenprozessen z.B. durch Kondensations- oder Fllungsreaktionen. Diese sind als Batchprozesse allerdings nur schlecht auf einen industriellen Mastab skalierbar. Das Weltmarktvolumen Sol-Gel basierter Materialien und Anwendungen wird auf 1 Mrd. $ im Jahr 2006 geschtzt mit einem Wachstum auf 1,4 Mrd. $ in 2011 (BCC 2006 [7]). Der grte Marktanteil nanostrukturierter Metalloxide ist Siliziumdioxid zuzurechnen, das standardmig als Fllstoff in Gummimischungen, Beschichtungen, Tinten, Kunststoffen, Kosmetikartikeln oder Lebensmitteln eingesetzt wird. SiO2-Pulver mit speziellen Anforderungen in der Nanostruktur sind beispielsweise im Bereich des chemisch-mechanischen Polierens von Siliziumwafern in der Elektronik erforderlich. Je feiner die Partikel in den eingesetzten Polierpasten (Slur-ries) sind, umso defektfreiere Waferoberflchen lassen sich erzielen, die angesichts immer kleinerer elektronischer Struk-turgren notwendig sind. Auch bei Papierbeschichtungen fr Tintenstrahlanwendungen ist ein hoher Nanoanteil der SiO2-Pulver gefragt, um eine schnelle Aufnahme und Fixie-rung der Tintentrpfchen durch nanoporse Schichten zu ermglichen. Aluminiumoxid-Nanopulver finden Anwendung in kratzbestndigen Beschichtungen, als Brandschutzmittel sowie als Trgermaterial fr Katalysatoren und nanoporse Filter/Membranen in der Umwelttechnik. Formulierungen aus nanoskaligen Titandioxid- und Zinkoxidpulvern werden schon seit Jahren in kosmetischen Produkten wie transparenten und hochwirksamen Sonnenschutzmitteln eingesetzt. Ein wachsender Markt sind photokatalytische Beschichtungen auf Basis von nanoskaligem Titandioxid fr Auenanstriche und -beschichtungen von Fenstern, Gebudefassaden und Infra-strukturbauten.

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Nanostrukturiertes Zinkoxid, das in Sonnencremes Schutz vor Sonnenbrand bietet. Das Nanopulver wird als Breitbandfilter in Sonnenschutzmitteln gegen schdliche UVA- und UVB-Strahlung eingesetzt. (Quelle: BASF)

Nanoskaliges Eisenoxid findet zunehmend Anwendung in der medizinischen Diagnostik als Kontrastmittel in der Magnet resonanztomographie, in der hyperthermischen Krebstherapie sowie in der Umwelttechnik zur Entfernung von Arsenverbindungen aus dem Trinkwasser. Im Bereich von Displays und Solarzellen sind Indium- und Antimonzinn-oxid (ITO bzw. ATO) fr transparente leitfhige Schichten von Bedeutung. Aufgrund hoher Rohstoffkosten wird deren Ersatz auf Basis anderer Nanomaterialien wie Kohlenstoffnano-rhren erforscht. Ceroxid findet beispielsweise Einsatz beim Polieren von Wafern oder in einer Prototypanwendung auch als Dieselzusatz fr Verbrennungsmotoren, um die Kraftstoff-effizienz durch eine vollstndigere katalytische Verbrennung zu ver bessern. Eine Vielzahl weiterer Applikationen auf Basis weiterer Metalloxidverbindungen und Mischoxide befinden sich in Entwicklung.

MetalleMetallnanopartikel werden in erster Linie in der Katalyse (z.B. Abgaskatalysatoren, Brennstoffzellen etc.) eingesetzt. Durch eine nanoskalige Verteilung auf entsprechenden Trger-materialien werden die katalytische Effizienz im Verhltnis zur eingesetzten Stoffmenge deutlich erhht und dadurch Kosten eingespart. In den letzten Jahren hat darber hinaus die Verwendung von kolloidalem Silber zur antibakteriellen Ausrs tung von Kunststoffen und Gebrauchsgegenstnden ein starkes Wachstum verzeichnet. Das Spektrum kommerzi-eller Produkte reicht mittlerweile von Textilien, Wandfarben, Klarlacken, Kunststoffgehusen und -verpackungen bis hin zu einer Anwendung in Waschmaschinen, die aufgrund mg-licher umweltbelastender Effekte jedoch wieder vom Markt genommen worden ist. Silbernanopartikel weisen gegenber grber strukturierten Materialien eine bessere Dispergierbar-keit und eine hhere Wirksamkeit aufgrund des vergrerten Oberflche/Volumen-Verhltnisses auf.

Fullerene und Kohlenstoffnanorhren (CNT)CNT sind aufgrund ihrer auergewhnlichen mechanischen und elektronischen Eigenschaften aus technologischer Sicht ausgesprochen interessant und vielseitig einsetzbar. Die Pro-duktionskapazitten von CNT werden derzeit massiv ausge-baut, so dass die Herstellungskosten deutlich sinken werden. Erste kommerzielle Anwendungen liegen im Bereich elek-trisch leitfhiger Polymere, bei denen im Vergleich zu anderen Fllstoffen bereits bei einem geringen CNT-Anteil die gefor-derte elektrische Leitfhigkeit erreicht wird. Haupteinsatzge-biet sind antistatische Anwendungen in Elektronikgehusen, Benzinleitungen oder elektrostatisch lackierte Karosserieteile im Automobil. Weitere Anwendungen wie elektro statische Ab-schirmungen oder transparente Frontscheiben heizungen im Automobil sind in Entwicklung. Die elektronischen Eigenschaften versprechen die er-folgreiche Anwendung von CNT als Feldemitter fr Displays oder elektronische Verdrahtungen in Computerchips. Zur mechanischen Verstrkung werden CNT als Fllstoff in Kom-positwerkstoffe eingearbeitet, um beispielsweise die Bruch-zhigkeit und Festigkeit von Sportgerten wie Tennis-, Eis-hockey- oder Baseballschlgern zu erhhen. Der Weltmarkt von CNT wird von BCC auf 79 Mio. $ in 2007 geschtzt mit einem starken jhrlichen Wachstum von ber 70 % auf ca. 807 Mio. $ im Jahr 2011, wobei CNT-Komposite den grten Anteil einnehmen [8].

Eishockeyschlger aus Kohlenstoffnanorhren verstrkten Kompositen. (Quelle: BayerMaterials Science)

Sonstige Fullerene wie die kugelfrmigen C60-Molekle (Buckyballs) haben gegenber CNT eine geringe kommerzielle Bedeutung. Sie sind berwiegend fr energetische Anwen-dungen als Elektrodenmaterial in Batterien, Brennstoffzellen und Superkondensatoren, als Elektronenakzeptor in organi-schen Solarzellen sowie als Fllstoff fr elektrisch leitfhige Komposite von Interesse. Der Weltmarkt von Fullerenen in en-ergetischen Anwendungen wird auf 19 Mio. $ in 2007 und auf 205 Mio. $ in 2011 geschtzt. Langfristig knnte Graphen als eine weitere aus einzelnen Graphitlagen bestehende Kohlen-stoffmodifikation an kommerzieller Bedeutung gewinnen, z.B. in der Elektronik fr den Aufbau besonders leistungsfhiger Transistoren aufgrund der herausragenden Elektronenbeweg-lichkeit.

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Nanostrukturierte SilikateNanostrukturierte Silikate wie z.B. schichtfrmige Montmoril-lonit-Tone oder Halloysite-Nanorhren sind natrlich vorkom-mende Nanomaterialien, die als Fllstoffe in Polymeren Ein-satz finden beispielsweise zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Hrte, Schlagzhigkeit), der Gasdichtigkeit oder der Brandschutzeigenschaften. Derzeit gibt es nur weni-ge kommerzielle Anwendungen wie in Polymerkompositen fr Automobilkunststoffteile oder gasdichte Folien. Zeolithe stellen ebenfalls eine Stoffklasse nanostrukturierter Silikate dar, deren Weltmarktvolumen in Anwendungen als Kataly-satoren in der Petrochemie, Detergentien, Adsorbentien und Fllstoffe von derzeit ca. 2,5 Mrd. $ auf ca. 2,9 Mrd. $ in 2010 ansteigen soll [13].

QuantenpunkteQuantenpunkte (englisch quantum dots, QD) sind nanoskalige Halbleiterpartikel mit speziellen optoelektronischen Eigen-schaften, die erstmals in den 70er Jahren synthetisiert worden sind und sich seitdem als dynamisches Forschungsfeld mit derzeit ber 3000 wissenschaftlichen Publikationen pro Jahr entwickelt haben. Quantenpunkte lassen sich durch epitak-tische Abscheidung aus der Gasphase auf Halbleitersubstraten oder durch nasschemische Fllungsverfahren als separate Nanocluster herstellen. Anwendungsfelder sind in erster Linie multiplexfhige und stabile Fluoreszenzmarker in der in-vitro-Diagnostik sowie im Produktschutz. In optoelektronischen Komponenten wie Lasern, Dioden oder Solarzellen bieten Quantenpunkte Potenziale fr deutliche Effizienzsteige-rungen. Analys ten von BCC prognostizieren fr das Jahr 2013 einen Umsatz mit QD-basierten Produkten von 700 Mio. $, vo-rausgesetzt die Kosten von derzeit 3.000 bis 10.000 $/g lassen sich durch Up-Scaling Verfahren drastisch senken [14]. Nach Meinung von Experten sind Preise in der Grenordnung von 250 $/kg bei einer grotechnischen Produktion realistisch.

Lsungen fluoreszierender Halbleiterquantenpunkte. (Quelle: Flad&Flad)

Nanoporse Materialien Materialien mit einer definierten inneren Porenstruktur im Be-reich weniger Nanometer besitzen ein hohes technologisches Potenzial z.B. in der Elektrochemie, in der Gasspeicherung (H2-Speicher) sowie in der thermischen Isolation. Zu den be-kanntesten nanoporsen Materialien zhlen die Aerogele, de-

ren Porenanteil bis zu 95 % des Festkrpervolumens ausmacht. Silika-Aerogele besitzen aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften wie einer hohen spezifischen Oberflche, sehr guten thermischen und akustischen Isolationseigenschaften sowie Lichtdurchlssigkeit breite Anwendungspotenziale u.a. als Dmmstoff in Fassaden und Klteschutzkleidung oder als Fllstoff und Trgermaterial fr Komposite, Sensoren oder Pharmaka. Das Marktvolumen von Aerogelen wurde von BCC auf 62 Mio. $ in 2006 geschtzt bei einer verkauften Menge von 700 t. Bis 2011 wird mit einem starken Wachstum auf ca. 900 Mio. $ gerechnet. Carbonaerogele finden Einsatz in Elektroden von Superkondensatoren, Batterien oder Brenn-stoffzellen. Hochporse metallorganische Verbindungen, die beispielsweise von BASF vermarktet werden, werden als aus-sichtsreiche Materialien fr eine effiziente Wasserstoffspeiche-rung fr den Einsatz in Brennstoffzellen gehandelt.

Metallorganische Gerstmaterialien besitzen aufgrund ihrer nanoporsen Struktur eine extrem hohe innere Oberflche und werden daher als mgliches Speichermedium fr Wasserstoff im Bereich mobiler Brennstoffzellensysteme untersucht. (Quelle: BASF)

Nanoskalige MakromolekleMakromolekle mit Strukturgren im Nanometerbereich werden in der Regel ebenfalls zum Gebiet der Nanomateri-alien gezhlt, sofern durch die Nanostruktur spezifische, tech-nisch nutzbare Eigenschaften entstehen. Ein Beispiel hierfr ist die Substanzklasse der Dendrimere, die aufgrund ihrer verzweigten Struktur nanoskalige Hohlrume ausbilden und beispielsweise in der Biosensorik, der Spezialchemie oder als Wirkstofftrger in der Pharmazie technologische Einsatzpo-tenziale finden. Dendrimere lassen sich sehr flexibel in ihren Bindungseigenschaften, Oberflchenladung, Lsungsverm-gen und Beladungskapazitt variieren. Erste kommerzielle Dendrimer basierte Produkte sind auf dem Markt wie z.B. ein mikrobizides Gel der Firma Star Pharma. Das Marktvolumen von Dendrimeren wird von Lux auf etwa 10 Mio. $ in 2007 geschtzt [10]. Es wird mit einem dynamischen Wachstum gerechnet, falls die Herstellungskosten von derzeit zwischen ca. 10 und einigen 100 $ pro Gramm weiter sinken und neue Produkte insbesondere im Pharmabereich zugelassen werden. Die Variationsbreite von Makromoleklen mit definierten

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Hohlrumen ist uert umfangreich und umfasst Substanz-klassen wie Clathrate, Cyclodextrine oder Kryptanden. Tech-nische Einsatzmglichkeiten liegen u.a. in der spezifischen Adsorption und Abgabe von Gastmoleklen (z.B. Duftstoffen fr Textilien), in der Sensorik oder im Medikamententransport. Neben chemischen Verbindungen weisen auch biologische Makromolekle wie Proteine oder DNA-Partikel ein groes technologisches Anwendungspotenzial auf. Das Protein Bacteriorhodopsin als Sicherheitspigment im Plagiatschutz ist eines der bekannten technischen Anwendungsbeispiele. Eine weitere Substanzklasse sind anorganisch-organische Hy-bridpolymere, die sich beispielsweise durch Copolymerisation organischer Monomere und anorganischer Nanopartikel in Polysiloxannetzwerken herstellen lassen. Zu diesen Verbin-dungen zhlen die Ormocere, die die gute Flexibilitt und Verarbeitbarkeit von Polymeren mit Hrte und Bestndigkeit anorganischer Stoffe kombinieren und Einsatz u.a. in der Mi-krooptik wie Mikrolinsenarrays fr Laser, hochauflsenden optischen Arrays von Beamern oder Spezial-Barrierefolien zur Einkapselung von Solarzellen finden.

Organische HalbleiterIn den letzten Jahren sind enorme Fortschritte in der Entwick-lung hochleitfhiger Polymere und Anwendungen in der Elektronik und Optoelektronik erzielt worden. Dazu gehrt die Synthese neuartiger Substanzen, eine verbesserte Rein-heit, eine kontrollierte Schichtherstellung, eine wirksame Verkapselung als Schutz der Substanzen und Bauelemente vor Luft und Feuchtigkeit und vor allem das stetig wachsende Verstndnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse. Der Weltmarkt fr Organische Elektronik soll nach Prognosen von IDTechEx von 1,2 Mrd. $ (2007) auf 48,2 Mrd. $ im Jahr 2017 anwachsen. Zur organischen und gedruckten Elektronik zh-len dabei hauptschlich kunststoffbasierte Halbleiter inklusive organischer Datenspeicher, RFID-/ORFID-(Organische Radio Frequenz Identifikation) Etiketten und Sensoren, organische Displays (Organische Licht Emittierende Dioden/OLEDS fr Computerbildschirme, Fernseher, Werbeflchen und OLED-Beleuchtung) sowie die Organische Photovoltaik. Der OLED Markt soll von 615 Mio. $ im Jahr 2005 auf 2,9 Mrd. im Jahr 2011 ansteigen bei einer jhrlichen Wachstumsrate von 29 %. Der Teilmarkt fr gedruckte und organische Sensoren erreicht laut einer Studie der US-Marktforscher NanoMarkets im Jahr 2015 ein Volumen von 2,3 Mrd. $ [109].

Ein Glassubstrat wird durch Spincoating beschichtet. Bei diesem Vorgang wird das Substrat mit einem fr die Farbstoffsolarzelle geeigneten Materialfilm berzogen, der wenige Nanometer dnn ist. Das bereits besprhte Substrat wird auf eine Aluminiumplatte gelegt und mit einer Farbstofflsung betropft. (Quelle: BASF)

NanofasernNanofasern aus Kohlenstoff oder Polymeren knnen zur mechanischen Verstrkung von Kompositmaterialien, Textil-fasern oder auch Filtrationsmembranen eingesetzt werden. Der Weltmarkt von Nanofasern (ohne Kohlenstoffnanorhren) wurde fr 2007 auf 48 Mio. $ geschtzt mit einem Wachstums-verlauf von 176 Mio. $ in 2012 und 825 Mio. $ in 2017 [12]. Mit Hilfe des Elektro-Spinning-Verfahrens lassen sich aus Poly-merschmelzen definierte nanoskalige Fasern und Hohlfasern herstellen, die Anwendungspotenziale beispielsweise fr die kontrollierte Wirkstoffreigabe in medizinischen (z.B. Wund-auflagen) sowie landwirtschaftlichen Anwendungen (z.B. Pestiziddosierung) aufweisen.

Relation elektrogesponnener Nanofasern zu einem Haardurchmesser. (Quelle: ITV Denkendorf)

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Materialien zur Herstellung nanoskaliger Funktions-schichtenNanoskalige Funktionsschichten stellen eines der vielseitigs-ten Anwendungsgebiete der Nanotechnologie dar. Durch physikalisch/chemische Abscheideverfahren lassen sich nanoskalige Schichtsysteme aus nahezu beliebigen Material-kombinationen herstellen. Der Gesamtmarkt fr Materialien im Bereich der physikalischen Abscheideverfahren (PVD) wird nach Prognosen von BCC von ca. 1 Mrd. $ in 2005 auf 1,8 Mrd. $ in 2010 ansteigen [21]. Der grte Teilmarkt ist der Elektronik-bereich (Datenspeicher und Prozessoren) bei der Abscheidung von Schutz- und Barriereschichten, dieelektrischen Schichten, epitaktischen Halbleiterschichten oder magnetoresistiven Schichten. Auch in anderen Bereichen spielen PVD-Barriere- und Funktionsschichten eine wichtige Rolle (Verpackungen, Schneidwerkzeuge, Glasbeschichtungen fr Fenster und Op-tiken etc.). Zu den wirtschaftlich relevanten Einsatzbereichen zhlen Hartschichten aus Kohlenstoff (z.B. Diamond Like Carbon, DLC) oder Keramiken (z.B. Bornitrid), deren Welt-markt volumen auf 530 Mio. $ in 2007 geschtzt wurde [19].

2.2 automobil

Branchenstruktur und MrkteDie Automobilindustrie ist Deutschlands strkste Exportbran-che, mit einer Exportquote von 75 % im Jahr 2007 [50]. Nicht nur deshalb ist sie eine der wichtigsten Industriebranchen fr die deutsche Wirtschaft. Gemessen am Wert ist Deutschland der strkste Automobilexporteur; in der Automobilproduktion nimmt Deutschland den dritten Platz ein, hinter den USA und Japan. Das bedeutet eine Stckzahl von gut 12 Mio. Kraftwagen im Jahr 2007, die weltweit von deutschen Herstellern produ-ziert werden. Davon sind etwa 90 % Personenkraftwagen, die den Schwerpunkt der Produk tion ausmachen [51].

Jahresdurchschnitt der Beschftigten in den drei Teilbranchen der Automobilindustrie 2007 dargestellt als prozentualer Anteil der ca. 745.000 Beschftigten der gesamten deutschen Automobilindustrie. (Quelle: VDA 2008 [53], [54])

Etwa jeder siebte deutsche Arbeitsplatz steht in direkter oder indirekter Verbindung mit dem Automobil; das sind etwa 14 % des gesamten deutschen Arbeitsmarktes [52]. Insgesamt beschftigte die deutsche Automobilindustrie im Jahre 2007 durchschnittlich 744.550 Angestellte, im Vergleich zum Vor-jahr ist das ein Rckgang von 0,8 %. Dem entgegen steht der 7,2 % ige Anstieg des Gesamtumsatzes auf 290 Mrd. Euro in 2007. Im Zuge der weltweiten Finanz- und Wirtschaftskrise sieht sich die Automobilindustrie einem schwierigen Markt-umfeld mit schrumpfenden Absatzmrkten, z.T. drastischen Umsatzeinbuen und sinkenden Mitarbeiterzahlen gegen-ber. Der anhaltende Kosten- und Rationalisierungsdruck der Automobilbranche wird sich dadurch noch verschrfen. Dazu gehrt die immer strkere Verlagerung der Produktion und Entwicklung von den Herstellern auf die Zulieferer. Die anhal-tende Reduzierung der Fertigungstiefe der Automobilherstel-ler, die lngst die Grenze von 30 % unterschritten hat, und die damit verbundene erweiterte bertragung von Aufgaben auf die Zulieferer, machen eine engere Zusammen arbeit zwischen den Unternehmen unumgnglich [55]. Deutsche Automobil-hersteller sind im globalen Innovationswettbewerb gut aufge-stellt und profitieren von stndigen Weiterentwicklungen fr hochwertigere Innenausstattungen und intelligente Fahrsys-teme. Deutschlands Automobilzulieferer sind internationale Technologiefhrer bei Clean-Diesel-Fahrzeugen und Konzep-ten zur Erhhung der Kraftstoffeffizienz, was sich auch in den kontinuierlich steigenden Auslandsumstzen der Automobil- und Zulieferindus trie zeigt [54]. Bei den F&E-Aufwendungen gehrt der Automobilbau zu den fhrenden Branchen in Deutschland. Im Jahr 2007 wurden von der deutschen Auto-mobilindustrie etwa 18 Mrd. Euro in Forschungs- und Entwick-lungsarbeit investiert, ca. 7,2 % mehr als im Vorjahr. Faktoren wie rechtliche Herausforderungen in Zusammenhang mit Abgaswerten, Recycling und Sicherheit sind stndige Inno-vationstreiber in der Automobilbranche. Diese Bereiche sind von der Nanotechnologie in vielen Anwendungen adressiert worden und werden auch knftig von entscheidender Be-deutung bei der Entwicklung von umweltfreundlicheren und sichereren Automobilen der kommenden Generation sein.

Beispiele fr Innovationspotenziale der NanotechnologieDer Einsatz von Nanotechnologien bietet Potenziale, um tech-nische Innovationen in fast allen Baugruppen im Automobil voranzutreiben und technologische Alleinstellungsmerkmale zu etablieren. Zielsetzung hierbei ist es, technische und z.T. kostenmige Vorteile gegenber konkurrierenden Lsungen zu erreichen. Die Nanotechnologie wird dabei von den deut-schen Automobilkonzernen als wichtige und zukunftswei-sende Schlsseltechnologie wahrgenommen und mit eigenen F&E-Aktivitten verfolgt. Die eigentliche Wertschpfung im Bereich der Nanotechnologie bzw. deren technologische Umsetzung findet allerdings zu wesentlichen Teilen bei den Zulieferern statt [56].

MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE 19

Beispiele zu Anwendungsmglichkeiten der Nanotechnologie im Automobilbau. Legende: = Bereits realisierte Anwendungen = Mgliche Anwendungen (angelehnt an Werner 2006 [57])

Funktionali- auenhaut Karosserie Interieur Fahrwerk und Elektrik und Motor und

tten Exterieur Reifen Elektronik antrieb

Effekt

Mechanische Hrte, Nanoklarlack Leichtbau- Carbon Black Reibungsarme

Funktionalitt Reibung, Komposite in Reifen Aggregat-

tribologische komponenten

Eigenschaften, Polymer-

Bruchfestigkeit verscheibung

Geometrische Groes Nanofilter Supercaps

Effekte Oberflchen- Brennstoff-

zu Volumen- zelle

verhltnis,

Porengre

Elektronische/ Gren- Kleben auf GMR-Sensoren Piezo-

Magnetische abhngige Kommando injektoren

Funktionalitt elektrische Schaltbare Solarzellen

und magne- Werkstoffe

tische (Rheologie)

Eigenschaften

Optische Farbe, Ultradnne Antireflex- LED-Rcklicht

Funktionalitt Fluoreszenz, Schichten beschich- LED-Tagfahr-

Transparenz Effektlacke tungen licht

Elektrochrome Flexible

Schichten Displays

Chemische Reaktivitt, Pflege- und Umformung Schutz vor Ver- Katalysatoren

Funktionalitt Selektivitt, Versiegelungs- von hoch- schmutzung Rufilter

Oberflchen- systeme festen Sthlen

eigenschaften Korrosions- Wohlgeruch Treibstoff-

schutz im Innenraum zustze

Die Umsetzung nanotechnologischer Innovationen im Auto mobilbau erfordert oftmals lange Vorlaufzeiten aufgrund hoher Sicherheits- und Gewhrleistungsanforderungen. Den-noch haben bereits einige nanotechnologische Entwicklungen Eingang in die Automobilindustrie gefunden. Das Marktpoten-zial der Nanotechnologie an der Wertschpfung im Automo-bilbau ist dabei oftmals nicht zu beziffern, da in der Regel nur einzelne Subsysteme von Komponenten durch den Einsatz von Nanomaterialien oder nanofunktionalisierter Oberflchen op-timiert werden, deren Marktwert aber nicht quantifizierbar ist. Die nachfolgende Tabelle gibt einen berblick ber heutige und mgliche zuknftige Anwendungsbereiche von nano-technologischen Komponenten im Automobilbau.

Seit 2004 frdert das BMBF mit der Leitinnovation Nano-Mobil 18 Verbundprojekte mit insgesamt 99 Partnern zum Thema Nanotechnologie im Automobilbereich mit einer Gesamtfrdersumme von 36,4 Mio. Euro [58]. Fast alle deut-schen Automobilhersteller sind dabei neben Projektpartnern aus Hochschulen, Fachhochschulen und aueruniversitren Forschungseinrichtungen an der Leitinnovation beteiligt. Die thematischen Schwerpunkte von NanoMobil sind Entwick-lungen im Motorbereich, die Sensorik, Energiespeicher, die Konstruktion von Leichtbauteilen, die Produktionstechnik, so-wie die Verbesserung der aktiven und passiven Sicherheit.

LeichtbauVerschrfte Auflagen fr den Umweltschutz und einen re-duzierten Kraftstoffverbrauch haben die Nachfrage nach leistungsfhigen und leichtgewichtigen Materialien im Automobilbau weiter gesteigert. Die Verwendung von na-nostrukturierten Aluminium- und Magnesiumlegierungen und -kompositen fr Motoren- oder Fahrwerkskomponenten knnten zu einer signifikanten Gewichtsreduktion beitragen. Nanooptimierte Sthle und faserverstrkte Aluminiumwerk-

20 MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE

stoffe bieten Gewichtseinsparpotenziale im Karosseriebau. Polymere Nanokomposite mit verbesserten mechanischen Eigenschaften u.a. auf Basis von nanostrukturierten Schicht-silikaten haben Einsatzmglichkeiten fr Kunststoffbauteile fr Gehuse und Konsolen im Innen- und Auenbereich und wurden beispielsweise in einigen General Motors Fabrikaten bereits serienmig umgesetzt. Der Ersatz von Glas durch Polycarbonat fr Automobilverscheibungen trgt ebenfalls zur Gewichtsreduktion bei. Die Polycarbonatscheiben werden dabei entweder mittels nasschemischer Flutlackierung oder Vakuumbeschichtungstechnologie mit nanoskaligen trans-parenten Hartschichten versehen, um die Sicherheitsanforde-rungen der Automobilindustrie u.a. bei der Schlagfestigkeit zu erfllen. Das technisch ausgereifte Verfahren, das zunehmend Verbreitung im Seitenfensterbereich findet, ist prinzipiell auch fr Heckscheiben anwendbar, whrend ein Frontscheibenein-satz aus konstruktiven Grnden der Karosseriesteifigkeit und hohen mechanischen Belastungen durch Abrieb oder Stein-schlag bisher nicht in Frage kommt.

ReifenfllstoffeEin viel zitiertes Beispiel fr die Anwendung von Nanotechno-logien im Automobil sind Reifen. Heutige Reifen erhalten ihre hohe Laufleistung, Haltbarkeit und Straenhaftung durch In-dustrierue (englisch: Carbon Black). Durch spezielle Nano-strukturrue und andere nanoskalige Fllstoffe lassen sich die Lebensdauer des Reifens optimieren und gleichzeitig weitere Eigenschaften, wie zum Beispiel die Griffigkeit verbessern. Da-bei sind verschiedene Strukturen und Oberflchen einstellbar und damit die Eigenschaften steuerbar.

AutomobillackeEin prominentes Beispiel fr die Produktattraktivitt in dem Deutschland eine Vorreiterrolle gespielt hat ist die Entwick-lung von kratzfesten Nano-Klarlacken. Wie kratzfest eine La-ckierung ist, bestimmt im Wesentlichen der als oberste Schicht aufgetragene Klarlack. Grundlage fr diesen technologischen Effekt sind die in die Klarlackschicht eingebetteten Nano-Keramikpartikel, die die Sto- und Abriebbestndigkeit des Lackes erhhen, ohne die Farbe des Autos zu beeintrchtigen. Selbst nach hufiger Waschstraennutzung knnen dadurch die Nano-Klarlacke eine weitaus hhere Lackbrillanz erzielen als herkmmliche Klarlacke. Grundlage fr die Nano-Klarlacke sind nanoskalige Pulver, die mit einer Gasphasensynthese hergestellt werden. Im flssigen Zustand des Lacks befinden sich diese Primrteilchen mit einem Durchmesser von sieben bis 40 Nanometern zunchst ungeordnet in der Lsung. Wh-rend des Trocknungs- und Aushrtungsprozesses, z.B. durch Infrarotwrme, vernetzen sie sich mit der Molekularstruktur des Lackbindemittels und an der Oberflche des Lacks entsteht eine sehr dichte und regelmige Netzstruktur, die zu einer Erhhung der Hrte der Klarlackschicht fhrt.

Nanomaterialien sind oftmals die Basis fr spezielle Effektlacke von Automobilen z.B. mit Farbwechsel- oder Perlglanzeffekten. (Quelle: Standox GmbH, Wuppertal)

Ebenfalls von Interesse im Automobilbau sind Effektlacke u.a. auf Basis von Interferenzpigmenten, bei denen in Ab-hngigkeit vom Blickwinkel des Betrachters ein wechselnder Farbeindruck entsteht. Interferenzpigmente bestehen aus plttchenfrmigem Silikat als Kern, der mit einer oder meh-reren nanoskaligen Metalloxidschichten umhllt ist. Der Farbeffekt entsteht durch eine Kombination von Reflektion, Beugung und Interferenzeffekten von Lichtstrahlen, die auf die Pigmente treffen. Der Wegunterschied zwischen den reflektierten Teilstrahlen fhrt zu einer Phasenverschiebung, die bei Rekombination der Teilstrahlen eine Auslschung bzw. Verstrkung bestimmter Wellenlngenbereiche durch Interferenz verursacht. Je nach Betrachtungswinkel variieren der Wegunterschied der reflektierten Teilstrahlen und damit auch die interferierenden Wellenlngenbereiche, wodurch der wechselnde Farbeindruck entsteht. Die Schichtdicke im nanoskaligen Bereich ist erforderlich, um die Interferenz im Wellenlngenbereich des sichtbaren Lichtes zu erzielen.

Infrarot-Trocknungsstrae zur Aushrtung von Automobillacken.(Quelle: Heraeus Noblelight GmbH)

MaRKT- UND aNWENDUNGSPOTENZIalE DER NaNOTECHNOlOGIE 21

Antireflex- und AntibeschlagschichtenUltradnne Schichten leisten auch einen Beitrag zur Sicher-heit im Automobil und des Straenverkehrs. Beispielsweise lassen sich unerwnschte Lichtspiegelungen auf Cockpit-Instrumenten sowie der Frontscheibe, die die Sicht des Fahrers bzw. die Lesbarkeit der Instrumente beeintrchtigen, durch Antireflexstrukturen reduzieren. Dieser Effekt ist durch Kom-b