Nanoquarz Technologie

Siliziumdioxid (Quarz) in verschiedenen Modifikationen ist wesentlicher Bestandteil der Sandvorkommen unserer Erde. Nach den Feldspaten ist Quarz das zweithäufigste Mineral der Erdkruste. Es ist ein hartes Mineral und bildet vielfältige Kristalle, die sich sowohl in Form als auch Farbe unterscheiden. Quarz entsteht, wenn silikatische Gesteinsschmelzen kristallisieren (erkalten). Daher ist er auch Bestandteil vieler magmatischer Gesteine.
Die Nanotechnologie macht dieses Mineral als Nanoquarz vielfältig nutzbar und ist daher im Fokus wissenschaftlich-technischer Betrachtungen.

Vor allem sein piezoelektrischer Effekt hat Quarz zum wesentlichen Element vieler elektrischer Schaltungen (Uhr, Computer, Oszillator) gemacht. Wird an Quarzen eine Wechselspannung angelegt, so beginnen diese zu schwingen und dienen daher als Taktgeber. Andersherum gilt: wird das Mineral gestaucht oder gezogen wird elektrische Ladung frei.
Aufgrund seiner hohen Festigkeit und Beständigkeit gegenüber fast allen Säuren (außer Flusssäure) wird er in der chemischen Industrie, der Lebensmittelindustrie und der Optik verwendet.

Neben dem Abbau der natürlichen Vorkommen vor allem im Tagebau wird Quarzsand mittels Schiffen aus Seen abgesaugt. Anschließend erfolgt dessen Trennung nach Korngrößen in verschiedenen Verfahren. Das Siliziumdioxid selbst wird durch das chemische Aufschließen des Quarzsandes unter hohen Temperaturen hergestellt. Dabei fällt es aus der Natrium- oder Kaliumcarbonat-Lösung aus (gefälltes SiO₂). Alternativ erfolgt die Abscheidung bei der Verbrennung von Silanen oder Siliziumchlorid unter Knallgas (explosive Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff). Das so gewonnene SiO₂ wird als pyrogenes Siliziumdioxid bezeichnet.

Quarzkristalle selbst können auch künstlich hergestellt werden und werden aufgrund ihrer piezoelektrischen Eigenschaften als Taktgeber in verschiedenen elektronischen Geräten eingesetzt; das bekannteste ist die Quarzuhr.

Quarz ist der wichtigste Rohstoff für die Glasindustrie, aber auch für die Keramik- und Betonindustrie bedeutend. Er wird bei der Glasherstellung jedoch selten in Reinform eingesetzt, sondern unter Zugabe verschiedener Metall- und Mineraloxide. Das dient zur Herabsetzung des Schmelzpunktes und zur Verbesserung und Variation der Eigenschaften.
Die hohe Temperaturfestigkeit und hohe UV-Durchlässigkeit prädestinieren Quarzgläser als Linsen, Prismen oder Schalen für den Einsatz in Laboren. Bei der Betonherstellung wird Siliziumdioxid in Form von Microsilica als Zusatzstoff für Hochleistungs- und Ultrahochleistungsbetone verwendet. Auch als Lebensmittelzusatzstoff (E551) oder in der Flüssigkeit beim Fracking kommen bestimmte Quarzsande zum Einsatz. Weitere vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Pharmazie, Kosmetika, Landwirtschaft, Automobilindustrie.

In der Schmuckindustrie werden je nach Form und Farbe verschiedene Quarzvariationen eingesetzt. Bekannt sind der Achat (gestreifte Platten), der Amethyst (violett), Onyx (schwarz-weiß gesteift), Jaspis (rot) und Citrin (gelb).

Die mannigfaltigen Einsatzmöglichkeiten von Siliziumdioxid finden ihre Vollendung in dessen Einsatz als Nanoquarz-Material. Seine Lösbarkeit in Wasser und Ethanol machen es leicht abfüll- und transportierbar. Das vierwertige Siliziumatom Si⁴⁺ bietet vielfältige individuelle chemische Kombinationsmöglichkeiten, um die jeweils gewünschten Effekte zu erzeugen. Unter Zugabe anderer Mineral- und Metalloxide lassen sich diese Eigenschaften weiter diversifizieren und spezifischen Bedürfnissen anpassen.

In der Oberflächentechnik bilden die Nanobeschichtungen ein Nano-Quarz-Gitter auf der zu beschichtenden Oberfläche und sorgen somit für die gewünschten Nanoeigenschaften wie Verwitterungsbeständigkeit, Antihafteffekt oder die vereinfachte Reinigung.