WO2004024627A1 - Verfahren zur herstellung von hochorganisierten kristallen mit hilfe von sol-gel-methoden - Google Patents

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WO2004024627A1
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    • C08J2399/00—Characterised by the use of natural macromolecular compounds or of derivatives thereof not provided for in groups C08J2301/00 - C08J2307/00 or C08J2389/00 - C08J2397/00
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    • Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy

Definitions

  • the invention relates to materials with a crystal-analog superstructure, in particular photonic crystals, which are obtained by self-organization, either by self-organization of the particles which form the photory crystal itself or by sol-gel infiltration into a preform, a so-called template; a method for producing the same and the use of such crystals.
  • Photonic crystals are materials with a crystal-like superstructure with a photonic band gap, ie forbidden or inadequate energy states for photons, ie light of a certain frequency cannot propagate in all spatial directions.
  • Photonic crystals which have such an optical band gap are characterized by a regular three-dimensional periodic grating structure, which consist of regions with strongly changing refractive indices.
  • One way of producing photonic crystals is by using micromechanical processes.
  • a silicon wafer can be coated with silicon dioxide, even trenches can be scratched therein and these can be filled with polysilicon.
  • the surface can be ground flat, covered again with SiO 2 and regular polysilicon strips can also be structured therein, albeit at right angles to that in the layer below. By repeating this several times, double layers can be produced crosswise in this way.
  • the Si0 2 can be extracted as a support material with hydrogen fluoride, so that there is a cross-lattice structure made of polysilicon with regular cavities.
  • a completely different way of producing photonic crystals is the construction of photonic crystals by self-organizing or induced-controlled processes.
  • Such self-organizing or induced-controlled processes are in the field of colloidal crystals, which are composed, for example, of titanium dioxide or
  • colloidal crystals form spontaneously under suitable temperature and pressure conditions. They have a three-dimensional regular superstructure with submicron periodicity.
  • the structural elements of the colloidal crystals are, for example, polymer z.
  • polystyrene beads with a size of 10 nm to
  • colloidal crystals are produced by sedimentation, which lead to thick polycrystalline samples within a liquid.
  • the liquid in the sedimented colloidal structures consisting of the aforementioned structural elements is then drawn off, so that voids between the structural elements, i.e. for example, the polymer beads.
  • Photonic crystals produced in this way have domains up to a few centimeters (cm) in size.
  • the capillary forces on the meniscus of a colloidal solution and a substrate are used to pull colloids into densely packed structures through self-organization.
  • the disadvantage of the method known from the prior art for producing highly organized, in particular photonic, crystals using micromechanical methods is the high outlay.
  • sol-gel processes which are used in the sol-gel infiltration of a preform, for the production of glasses, glass ceramics, ceramics and
  • Sols are colloidal suspensions of solid and liquid substances in a liquid or gaseous dispersion medium, the particle size being between 5 x 10 "10 and 2 x 10 " 7 m.
  • catalyst supports materials which have a wide size distribution of the cavities are used as catalyst supports.
  • Such catalyst supports for example made of zeolites, have a high flow resistance.
  • open-pore sintered glasses are used for immobilizing bacteria and other biological, microbiological, bioprocessing and medical expenses and for cleaning and treating water.
  • Such sintered glasses are sold by SCHOTT GLAS, Mainz, under the brand name SIRAN® and are described, for example, in the article "Bioreactors in Wastewater Technology” by M. Radke in Disposal Practice 10/89
  • Paints as color effect coatings according to the prior art of metal, glass or plastic surfaces usually contain, in addition to the coloring pigments, metallic particles, for example aluminum powder, in order to achieve a metallic luster.
  • a brilliant effect can also be brought about by the size variation of these particles and in particular by the addition of large aluminum particles and plastic particles.
  • the color pigments can be flake-like and vaporized with metal.
  • Lacquer coatings according to the prior art with high light dynamics ie lacquers with gloss effects or those that give a color impression that depends on the incidence of light and the direction of view, are characterized by a particularly complex production and by a limitation in the design of the color effects.
  • additives with an iridescent color effect can be incorporated into the material during manufacture.
  • a traditional example of this is the rainbow-colored, shiny metallic Tiffany glass from the Art Berlin period, which was mostly produced by vapors from various mixed metal salts.
  • the disadvantage here is that the color effect can usually not be precisely controlled, since it depends on the details of the formation of metal colloids in the glass matrix. The restrictions that result from this for the selection of the glass materials and the manufacturing conditions are to be regarded as disadvantageous.
  • Coloring the surface consists in the use of interference layer systems, which are characterized by wavelength-selective reflection.
  • interference layer systems are complex to manufacture, since each layer has to be applied or vapor-deposited on its own.
  • the layer sequence alternating in only one direction enables one
  • a first object of the invention is to provide a method for producing highly organized, in particular photonic crystals, with which the disadvantages of the prior art can be overcome, in particular the drying of the self-organized crystal-like superstructures and the inverse produced by sol-gel infiltration crystal-like superstructures take place without damage and faster than in the prior art. Especially should damage to inverse crystal-analog superstructures produced by the sol-gel process can be prevented during drying.
  • Another object of the invention is to overcome the disadvantages of conventional materials used as IR blockers or UV blockers.
  • IR blockers and / or UV blockers should be able to be produced in a simple manner, for example, by applying a dispersion which is applied once to a substrate, for example window glass, for example sprayed on or spun on.
  • Another object of the invention is to overcome the disadvantages of conventional porous materials as catalyst supports in chemical and process engineering applications, as materials for the purification and treatment of water and for the immobilization of bacteria and for other biological, microbiological, bioprocess and medical
  • catalyst supports with a lower flow resistance are to be made available, as are open-porous materials whose functionality can be influenced in such a way that colonization with specific, selected microorganisms is achieved and so these microorganisms can be immobilized.
  • the first object is achieved in that the highly organized, crystal-analog superstructures or inverse crystal-analog superstructures are subjected to hypercritical drying.
  • the crystal-analog superstructures are also referred to as a structure or heap structure.
  • Hypercritical drying enables the liquid to be drawn off from the crystal-analog superstructures more quickly. Furthermore, damage to the structure, in particular the inverse structures during drying, is prevented.
  • Fricke J. "Aerogels - a spectacular class of highly porous materials” in Umschau 1986, Issue 7, pp. 374 - 377 and Fricke J., "Aerogels - highly tenuous solids with beautiful properties", Journal of
  • Hypercritical drying takes advantage of the fact that the solid / liquid phase boundary is removed above the critical point and that a single phase still exists, i. H. that above the critical temperature, for example, a gas can no longer be liquefied by the highest pressure.
  • hypercritical drying means that there are no longer any voltage differences in the solid to be dried. This prevents the solid from tearing.
  • US 5795557 From US 5795557 the production of aerogels from silica is known. US 5795557 refers to the fact that aerogels can be obtained by sol-gel processes. The airgel is dried after drying. H. received after separating the alcohol.
  • US 6139626 describes the production of templates, ie synthetic opals and the filling of the pores of the template with colloidal nanocrystals described.
  • the colloidal nanocrystal solution contains at least one solvent, which is extracted.
  • the hypercritical drying according to a first aspect of the invention is carried out in such a way that non-destructive drying of regularly arranged self-organized or controlled organized particle arrangements, in particular inverse crystal-analog superstructures, which are produced by sol-gel infiltration, is made possible.
  • Inorganic, organic or hybrid processes such as the Ormocer process are conceivable as sol-gel processes.
  • Hypercritical drying can also take place in several stages, for example by solvent exchange.
  • Hypercritical drying will be used in particular to dry the self-organized or induced organized crystal-analog superstructures made of, for example, polymer beads, which in turn can serve as templates for high-index materials. These templates can be infiltrated with high refractive index materials using the sol-gel method, resulting in an inverse crystal structure. Hypercritical drying of the infiltrated gel enables low-shrinkage, crack-free inverse photonic crystals to be obtained by molding.
  • the particles which form the tempiate for example the polymer beads, can be used to enlarge the Difference in refraction from the inverse crystal structure can be removed, for example, by burning out.
  • the method according to the invention does not quickly extract a solvent, as described, for example, in US Pat. No. 6,261,469, but instead solidifies the structure by means of hypercritical drying and stabilizes the tempiate, for example. It is then possible, for example, to obtain photonic crystals or templates which form stable, superordinate, periodic structures without neck formation. In the past, such necks were necessary in photonic crystals to hold the superstructures together, for example, and to ensure mechanical stability.
  • the method according to the invention enables the production of optical components with a photonic crystal superstructure with large dimensions and of three-dimensional, optical components with a photonic crystal superstructure of complex shape and / or structuring.
  • templates which can serve as a preform for the formation of crystal-analogous superstructures of solids with a higher refractive index and which are referred to as so-called inverse opals
  • Hypercritical drying of a gel can be achieved, for example, by the following procedure in the case of tetra-methyl-orthosilicate Si (OCH 3 ) (TMOS) for the production of Si0 2 aerogels which are introduced into the tempiate to form an inverse crystal-analogous superstructure become:
  • the pressure P is increased very strongly at a constant temperature, for example in TMOS for the production of SiO 2 aerogels to approximately 80 bar.
  • the temperature is then increased to approximately 270 ° C. while the pressure is kept constant.
  • the fluid can be forced out of the gel structure without the gel structure breaking down or shrinks because such a process control always takes place above the critical temperature TK and only a liquid or gaseous phase is present.
  • the liquid or gaseous phase is extracted when the pressure is reduced to atmospheric pressure.
  • the temperature is lowered to room temperature.
  • the method according to the invention achieves hypercritical drying.
  • the procedure for the supercritical fluid extraction is chosen so that the fluid is quickly drawn off, i. H. is extracted; in the case of hypercritical drying, the process is chosen in such a way that the superstructure of the photonic crystal is stabilized so that, for example, neck attachments as in the prior art can be avoided with photonic crystals and the superstructure is stable even without such neck attachments.
  • a porous material in the form of a photonic crystal which is used as an IR blocker, can be produced in various ways.
  • particles for example polymer, silicon dioxide or titanium dioxide particles
  • the particles organize themselves in the dispersant by slow sedimentation to crystal-like superstructures themselves or under controlled control.
  • the middle of the dispersion! by drying, for example hypercritical drying,. deducted and the self-organized crystal stabilized.
  • Self-organization in crystal-analog superstructures in a dispersion medium is particularly advantageous in the case of silicon dioxide or titanium dioxide particles, since there is a large refractive index difference between the particles themselves and the air-filled cavities in such crystal-analog superstructures.
  • the photonic crystal can be produced by sol-gel infiltration in a preform, a so-called tempiate.
  • the highly organized crystal-analog superstructures or inverse crystal-analog superstructures which are used for UV blockers or IR blockers become hypercritical
  • Hypercritical drying prevents damage to the structure, in particular the inverse structures, during drying.
  • Catalysts with such catalyst carriers are characterized by a very low flow resistance.
  • the reason for this is the extremely narrow distribution the characteristic dimensions of the cavities in photonic crystals.
  • such arrangements are distinguished by the fact that they can influence chemical reactions in a highly selective manner. This is due to the fact that the size of the cavities or the pore size can be adapted to the dimensions of the atoms, molecules or radicals involved in the reaction in question. Further, it is possible by controlling the size of the cavities in the superstructure krsitallanalogen to adjust the flow rate accurately ⁇ .
  • Reactions can be addressed using suitable structural parameters such as particle size, particle shape, particle spacing, porosity etc.
  • a porous material can be produced in the form of a photonic crystal, which acts as a catalyst carrier in chemical and process engineering
  • the hypercritical drying particularly damages the
  • Crystals for the immobilization of bacteria and for other biological, microbiological, bioprocess engineering and medical applications lies in the fact that such regular structures can be equipped with a larger loading capacity than the currently known subordinate porous materials and aggregates. Furthermore, it is possible to further develop and condition the colloidal crystals that have an optical band gap in such a targeted manner that very specific bacteria or viruses can be immobilized by suitable cavity sizes.
  • a porous material can be produced in the form of a photonic
  • Crystals that are used for the immobilization of bacteria and for other biological, microbiological, bioprocess engineering and medical applications, for example with the aid of slow sedimentation in a dispersant and subsequent hypercritical drying.
  • Water purification and treatment is such that such regular structures with a higher throughput capacity than the currently known disordered porous materials and piles allow. Furthermore, it is possible to specifically further develop and condition the colloidal crystals, which have an optical band gap, in such a way that the substrate material, the
  • a porous material in the form of a photonic crystal can be produced, which is used for the purification and treatment of water, for example with the aid of slow sedimentation in a dispersing agent and subsequent hypercritical drying, in which the dispersing agent is stripped off.
  • Such layers or coatings based on photonic crystals are characterized by an intensive development of the color effect and the color dynamics.
  • the color effect coating is particularly suitable for use on a large number of large and arbitrarily shaped substrates.
  • a porous, color effect-producing coating material in the form of a photonic crystal can be produced in various ways.
  • a first color effect coating according to the invention is obtained in that particles, for example polymer, silicon dioxide or
  • the crystal-analog superstructures Organize titanium dioxide particles into a dispersant controlled by slow sedimentation to crystal-analog superstructures themselves or induced.
  • the lattice periodicity of the resulting crystal-analog superstructure is determined by the choice of particle size.
  • the crystal-analog superstructures must have a lattice periodicity in the course of the refractive index in the range of the wavelength of the visible spectrum, i.e. in the range 380 nm ⁇ d ⁇ 780 nm.
  • Crucial for the optical quality of the color effect coating is the strict periodicity in the refractive index and the high symmetry of the photonic crystal.
  • the self-organization in crystal-analog superstructures in a dispersion medium is particularly in the case of silicon dioxide or titanium dioxide particles advantageous since there is a large refractive index difference between the particles themselves and the air-filled cavities in such crystal-analog superstructures.
  • the dispersant In order to create these air-filled cavities, the dispersant must be removed from the crystal-analog superstructure. Since this is problematic, as described above, due to the flatness of the coating and the capillary forces acting on it, it is particularly advantageous that the dispersant is removed by hypercritical drying, thus creating a highly ordered, crystal-analogous superstructure with air-filled spaces, the lattice structure of which is maintained evenly remains that the desired color effects come into their own.
  • the effect of the method with hypercritical drying is to be seen in the fact that porous coating material producing a color effect can be obtained in a sufficiently stable manner essentially without the neck-like material connections between the particles which disturb the optical properties of the coating.
  • the neck-like connections are, for example, disturbing for the optical properties of the photonic crystal when used in color effect layers, since the strict periodicity of the filter is adversely affected.
  • An alternative color effect layer or an alternative color effect coating based on photonic crystals represents an inverse structure to that described above.
  • a photonic crystal is produced as a coating by sol-gel infiltration in a preform, a so-called tempiate.
  • a highly ordered crystal-analog superstructure according to the invention without neck-like connections between the particles forming the superstructure, as described above, is used as a template.
  • Fig. 3 shows a color effect coating on a substrate comprising two porous material layers with different spatial
  • FIG. 4 shows a crystal-analog superstructure according to the prior art, with neck-shaped material connections for mechanical strengthening being formed between the particles forming the superstructure.
  • FIGS. 1a to 1c show the production of a crystal-analog superstructure by adding particles 1, preferably spheres with dimensions 10 nm to 10 ⁇ m in a dispersing agent 3 and stripping off the dispersing agent.
  • the particles can be polymer, Ti0 2 - or Si0 2 - beads or beads made of other organic or inorganic materials.
  • Polystyrene (PS) or polymethyl methacrylate (PMMA) particles, preferably polystyrene (PS) or polymethyl methacrylate (PMMA) beads, are particularly suitable as polymer particles.
  • FIG. 1a the particles in the solution 3 are distributed irregularly.
  • the particles arrange themselves in crystal-analogous, regular superstructures 5 through sedimentation and self-organization or induced controlled organization. This is shown in Figure 1 b.
  • the dispersant still present in FIG. 1b is drawn off, preferably by hypercritical drying.
  • the solid body 5 shown in FIG. 1c is then formed, which is a crystal analog
  • the solid 5 can itself be the photonic crystal, for example in the case of Ti0 2 or Si0 2 beads or as a tempiate for serve high-index materials. If the solid 5 consists of TiO 2 spheres, the solid 5 can be used as a porous material for the purification and treatment of water without further processing, for example coating.
  • the solid 5 is a crystal-analog superstructure, for example made of Si0 2 or polymer beads
  • the solid 5 forms the base material onto which a coating containing Ti0 2 or titanium oxide can be applied, which then forms the functional layer for cleaning and preparation of water.
  • the functionality can be tailored through the coating.
  • the photonic crystal with high refractive index material can be infiltrated with a high refractive index as shown in FIGS. 2a-2c
  • the polymer solid with a crystal-analog superstructure is placed in a colloidal solution or sol 10.
  • the colloidal solution comprises particles 12 with a size between 5-10 -10 and 2-10 -7 m, which agglomerate and form a gel structure.
  • a gel structure is formed in the spaces 14 of the polymer solid 5, which forms the tempiate for the high-index material.
  • the gel structure is dried hypercritically.
  • the hypercritically dried structure is shown in Figure 2c.
  • the dried high refractive index material is designated 20, the microstructure resulting from the microporosities is 22.
  • the particles 1 of the template can be removed, for example in the case of a solid made up of polymer beads as a tempiate by burning out.
  • FIG. 3 shows a color effect coating on a substrate 102 with two porous, layered layers 101.1, 101.2 arranged in a crystal-analogous manner, which differ in their lattice periodicity. Both grating periodicities of the refractive index should be selected so that only light of a wavelength in the range of the visible
  • a color effect coating according to the invention can also be provided by a porous layer with a uniform
  • Lattice periodicity or with more than two different lattice periodicities are formed.
  • FIGS. 1a-1c The production of a crystal-analog superstructure is shown in FIGS. 1a-1c and, for example, if a solid polymer with a crystal-analog
  • FIG. 4 shows in a schematically simplified manner a mechanical hardening of the crystal-analog superstructure by the formation of neck-like material connections 130 between the particles 101.
  • Structure is that their growth can usually not be controlled with sufficient accuracy, so that there is a deviation from the symmetrical
  • the structure and distortion of the grid result, for example, which reduces the color effects of the coating or has other disadvantages in other applications, such as, for example, reduced selectivity when used in the field of water treatment or in the immobilization of microorganisms.
  • the invention provides for the first time a process for the production of highly organized superstructure materials, with which photonic crystals with relatively large dimensions in the range of a few centimeters (cm) to decimeters (dm) for bulk materials and up to a few meters (m)
  • Coatings can be made.
  • the invention specifies porous materials which act highly selectively as IR blockers in the IR wave range, for example as IR-blocking coating material for window panes, automobile panes, spectacle lenses, technical and scientific components with IR filter function, components for solar systems, lamp glasses and for Finding electronic components, in solar systems, especially solar thermal systems, succeeds in significantly increasing the efficiency with such IR filters.
  • IR-blocking coating material for window panes, automobile panes, spectacle lenses, technical and scientific components with IR filter function, components for solar systems, lamp glasses and for Finding electronic components, in solar systems, especially solar thermal systems, succeeds in significantly increasing the efficiency with such IR filters.
  • the energy yield can also be increased considerably, since due to the reflection of the substrate coated with an IR-blocking material, the emitted IR light is focused back onto the light source, for example the filament.
  • an IR-blocking coating material can be used to protect such components from heat radiation or from excessive heating by adjacent hot ones
  • the IR blocking layer according to the invention can be applied to substrates by means of an immersion, a centrifugal or spray method. Any type of glass, transparent base materials or other transparent substrates, but also opaque substrates such as metals and ceramics are suitable as substrate materials for the IR-blocking layers. Furthermore, "the invention specifies porous materials which act in the UV wave range as highly selective UV blockers, for example as UV blocking coating material for window panes, automobile windows, spectacle lenses, in particular sunglasses lenses, technical and scientific components with UV filter function.
  • the UV blocking layer according to the invention can on
  • Photonic crystals are applied using a dipping, spinning or spraying method.
  • the photonic crystals can preferably be produced directly using sol-gel methods. Any type of glass, transparent base materials or other transparent substrates, but also opaque substrates such as metals and ceramics for reflective optics are suitable as substrate materials for the UV-blocking layers.
  • the invention provides for the first time a porous material and a method which can be immobilized in a highly specific manner in bio-process engineering and medical applications, in particular bacteria.
  • porous materials and a process for the production are specified with which catalyst supports with a very regular pore size can be produced, as well as porous materials with which highly specific immobilization can be carried out in biotechnological and medical applications, in particular bacteria.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Materialien mit kristallanaloger Überstruktur oder inverser kristallanaloger Überstruktur, insbesondere photonischen, Kristallen, wobei die Materialien mit kristallanaloger Überstruktur durch Selbstorganisation oder induziert gesteuerte Prozesse und durch hyperkritische Trocknung erhalten werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von hochorganisierten Kristallen mit Hilfe von Sol-Gel-Methoden
Die Erfindung betrifft Materialien mit kristallanaloger Überstruktur, insbesondere photonischen Kristallen, die durch Selbstorganisation und zwar entweder durch Seibstorganisation der Partikel, die den photoriischen Kristall ausbilden selbst oder durch Sol-Gel-Infiltration in einen Vorformling, ein sogenanntes Templat erhalten werden; ein Verfahren zur Herstellung derselben sowie die Verwendung derartiger Kristalle.
Photonische Kristalle sind Materialien mit einer kristallanalogen Überstruktur mit einer photonischen Bandlücke, also verbotenen oder unzulänglichen Energiezuständen für Photonen, d. h. Licht bestimmter Frequenz kann sich nicht in alle Raumrichtungen ausbreiten. Photonische Kristalle, die eine derartige optische Bandlücke aufweisen, zeichnen sich durch eine regelmäßige dreidimensionale periodische Gitterstruktur aus, die aus Bereichen mit stark wechselnden Brechungsindizes bestehen. Prinzipiell gibt es verschiedene Verfahren zur Herstellung photonischer Kristalle. Eine Möglichkeit der Herstellung photonischer Kristalle besteht im Einsatz mikromechanischer Verfahren. Hier kann beispielsweise ein Silizium-Wafer mit Siliziumdioxid beschichtet werden, darin gleichmäßige Gräben geritzt und diese mit Polysilizium aufgefüllt werden. Sodann kann die Oberfläche eben geschliffen werden, erneut mit Si02 bedeckt und darin ebenfalls regelmäßige Polysiliziumstreifen strukturiert werden, allerdings im rechten Winkel zu dem in der darunterliegenden Schicht. Durch mehrfache Wiederholung können auf diese Art und Weise kreuzweise Doppellagen hergestellt werden. Das Si02 kann als Stützmaterial mit Fluorwasserstoff herausgelöst werden, so dass sich eine Kreuzgitterstruktur aus Polysilizium mit regelmäßigen Hohlräumen ergibt. Diesbezüglich wird beispielsweise auf R.Sietmann, "Neue Bauelemente durch photonische Kristalle", Funkschau 26, 1998, S. 76 - 79, oder auf "Silicon-based photonic crystals" by Albert Birner, Ralf
B. Wehrspohn, Ulrich M. Gösle und Kurt Busch, Advanced Materials, 2001 , 13, Nr. 6, S. 377 ~ 388 verwiesen. Eine völlig andere Art der Herstellung photonischer Kristalle ist der Aufbau photonischer Kristalle durch selbstorganisierende oder induziert gesteuerte Prozesse. Derartige selbstorganisierende oder induziert gesteuerte Prozesse sind aus dem Bereich der Kolloidkristalle, die sich beispielsweise aus Titandioxid- oder
Siliziumdioxid-Kolloiden oder Polymer-Kolloiden zusammensetzen, bekannt. Die Kolloidkristalle bilden sich spontan unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen. Sie weisen eine dreidimensionale regelmäßige Überstruktur mit Submikrometer-Periodizität auf. Die Strukturelemente der Kolloidkristalle sind beispielsweise Polymer- z. B. Polystyrolkügelchen mit einer Größe von 10 nm bis
10 μm. Herkömmlicherweise werden derartige kolloidale Kristalle durch Sedimentation hergestellt, die zu dicken polykristallinen Proben innerhalb einer Flüssigkeit führen. Anschließend wird die Flüssigkeit in den sedimentierten kolloidalen Strukturen bestehend aus den zuvor genannten Strukturelementen abgezogen, so dass sich Hohlräume zwischen den Strukturelementen, d.h. beispielsweise den Polymerkügelchen ergeben. Auf diese Art und Weise hergestellte photonische Kristalle weisen Domänen mit einer Größe bis zu einigen Zentimetern (cm) auf.
In einem alternativen Verfahren werden die Kapillarkräfte am Meniskus einer kolloidalen Lösung und eines Substrates dazu verwandt, Kolloide durch Selbstorganisation in dichtgepackte Strukturen zu ziehen. Nachteilig an dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung hochorganisierter, insbesondere photonischer, Kristalle mit mikromechanischen Methoden ist der hohe Aufwand.
Bei den bekannten Verfahren, hochorganisierte Kristalle durch Selbstorganisation herzustellen, bestand das Problem darin, dass beim Trocknen der kolloidalen Überstrukturen das Fluid in den Hohlräumen nur sehr schlecht, insbesondere nur über einen sehr langen Zeitraum abgezogen werden konnte. Photonische Kristalle, die durch Sol-Gel-Infiltration in einen Vorformling, ein sogenanntes Templat, hergestellt werden, neigen zudem dazu, beim Trocknungsprozess in kleine Fragmente zu zerfallen. Dies gilt insbesondere für Proben mit größeren Abmessungen, d.h. einer Schichtdicke größer 1 μm. Derartige Proben können rissig werden oder sogar zu Pulver zerfallen, es sei denn der Trocknungsprozess wird sehr vorsichtig und sehr langsam über Monate hinweg durchgeführt.
Betreffend Sol-Gel-Verfahren, die bei der Sol-Gel-Infiltration eines Vorformlinges eingesetzt werden, zur Erzeugung von Gläsern, Glaskeramiken, Keramiken und
Verbundmaterialien wird auf die nachfolgenden Schriften verwiesen:
- Prospects of Sol-Gel-Processes, von Donald R. Ulrich, Journal of Non- Crystalline Solids 100 (1988), pp. 174 - 193, - Charakterisierung von Si02-Gelen und -Gläsern, die nach der Alkoxid-Gel-
Methode hergestellt wurden, von Wolfram Beier, Martin Meier und Günther Heinz Frischat, Glastechische Berichte 58 (1985), Nr. 5, S. 97 - 105
- Glaschemie von Werner Vogel, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1992, S. 229 - 233
Bei der Herstellung von hochorganisierten, beispielsweise photonischen, Kristallen durch Sol-Gel-Infiltration, d. h. mittels eines Sol-Gel-Verfahrens wird in einer ersten Stufe des Verfahrens ein Sol gebildet. Sole sind kolloidale Suspensionen von festen und flüssigen Substanzen in einem flüssigen oder gasförmigen Dispersionsmittel, wobei die Partikelgröße zwischen 5 x 10"10 und 2 x 10"7 m liegt.
Da derartige kolloidale Lösungen in der Regel instabil sind, agglomerieren die Teilchen und es entsteht ein Gel. Um einen photonischen Kristall zu erhalten, muss das entstandene Gel getrocknet werden, d. h. die flüssigen Komponenten müssen aus den Hohlräumen des Gels entfernt werden. Beim Trocknen der Gele treten in der Regel enorme Spannungen auf, die das Grundgerüst zerstören können. Als wellenlängenselektive IR-Blocker oder UV-Blockerwerden im Stand der Technik Interferenz-Schichtsysteme verwandt. Dieser Materialien hatten den Nachteil, dass sie sehr aufwendig hergestellt werden mussten. Beispielsweise ist es bei Mehrschichtsystemen für IR-Blocker oder einem 3-Schicht-System für einen UV-Blocker erforderlich, dass ein Substratträger mehrmals hintereinander in unterschiedliche Lösungen eingetaucht wird. Werden die Schichten aufgedampft, beispielsweise mittels eines CVD- oder PVD-Verfahrens, so müssen die Aufdampfmaterialien gewechselt werden.
Als Katalysatorträger werden im Stand der Technik Materialien verwandt, die eine breite Größenverteilung der Hohlräume aufweisen. Derartige Katalysatorträger, beispielsweise aus Zeolithen, weisen einen hohen Strömungswiderstand auf.
Im Stand der Technik werden derzeit zur Immobilisierung von Bakterien und anderen biologischen, mikrobiologischen, bioverfahrenstechnischen sowie medizinischen Aufwendungen und für die Reinigung und Aufbereitung von Wasser beispielsweise offenporige Sintergläser eingesetzt. Derartige Sintergläser werden von der Firma SCHOTT GLAS, Mainz unter dem Markennamen SIRAN® vertrieben und sind beispielsweise im Artikel „Bioreaktoren in der Abwassertechnik" von M. Radke in EntsorgungsPraxis 10/89 beschrieben. Diese
Materialien hatten den Nachteil, dass sie stets eine relativ breite Größenverteilung der Hohlräume aufwiesen, so dass die Selektion nicht hochspezifisch gewesen ist.
Lacke als Farbeffekt-Beschichtungen gemäß dem Stand der Technik von Metall-, Glas- oder Plastikoberflächen enthalten meist neben den einfärbenden Pigmenten metallische Partikel, etwa Aluminiumpulver, um einen metallischen Glanz zu erreichen. Durch die Größenvariation dieser Partikel und insbesondere durch eine Zugabe von großen Aluminiumpartikeln und Kunststoffteilchen kann ferner ein Brillanteffekt bewirkt werden. Zur Verstärkung der Farbeffekte und insbesondere zur Erzielung einer irisierenden optischen Wirkung in Verbindung mit einem
Perlglanzeffekt können die Farbpigmente blättchenförmig ausgebildet und mit Metall bedampft werden. Lackbeschichtungen gemäß dem Stand der Technik mit hoher Lichtdynamik, d. h. Lacke mit Glanzeffekten oder solche, die einen Farbeindruck vermitteln, welcher vom Lichteinfall und der Blickrichtung abhängt, zeichnen sich durch eine besonders aufwendige Herstellung und durch eine Begrenzung in der Gestaltung der Farbeffekte aus.
Alternativ können gemäß dem Stand der Technik für transparente oder teiltransparente Materialien, wie etwa Gläser oder Kunststofffolien, Zuschlagsstoffe mit irisierender Farbwirkung bei der Herstellung in das Material eingebaut werden. Ein traditionelles Beispiel hierfür ist das in Regenbogenfarben schillernde, metallisch glänzende Tiffany-Glas aus der Jugendstilzeit, welches meist durch Dämpfe von verschiedentlich gemischten Metallsalzen erzeugt wurde. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass sich die Farbwirkung meist nicht präzise steuern lässt, da diese von den Details der Bildung von Metallkolloiden in der Glasmatrix abhängt. Die Einschränkungen, die sich hieraus für die Auswahl der Glasmaterialien und der Herstellungsbedingungen ergeben, sind als nachteilig anzusehen.
Eine Möglichkeit, ohne Pigmentauftrag gemäß dem Stand der Technik eine
Oberfläche einzufärben besteht in der Verwendung von Interferenz- Schichtsystemen, die durch eine wellenlängenselektive Reflektion gekennzeichnet sind. Allerdings sind Interferenz-Schichtsysteme aufwendig in der Herstellung, da jede Schicht für sich aufgetragen oder aufgedampft werden muss, ferner ermöglicht die in lediglich eine Richtung alternierende Schichtabfolge eines
Interferenz-Schichtsystems nicht die Ausbildung von Farbeffekten. Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von hochorganisierten, insbesondere photonischer Kristallen anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können, insbesondere soll die Trocknung der selbstorganisierten kristallartigen Überstrukturen und der durch Sol-Gel-Infiltration hergestellten inversen kristallartigen Überstrukturen ohne Schädigung und schneller als im Stand der Technik erfolgen. Insbesonders soll eine Schädigung von nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellten inversen kristallanalogen Überstrukturen beim Trocknen verhindert werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile herkömmlicher Materialien, die als IR-Blocker oder UV-Blocker verwandt werden, zu überwinden.
Insbesondere sollen IR-Blocker und/oder UV-Blocker beispielsweise auf einfache Art und Weise dadurch hergestellt werden können, dass eine Dispersion, die auf ein Substrat, beispielsweise Fensterglas, einmalig aufgebracht, beispielsweise aufgesprüht oder aufgeschleudert, wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile herkömmlicher poröser Materialien als Katalysatorträger in chemischen und verfahrenstechnischen Anwendungen, als Material für die Reinigung und Aufbereitung von Wasser sowie zur Immobilisierung von Bakterien und für andere biologische, mikrobiologische, bioverfahrenstechnische sowie medizinische
Anwendungen zu überwinden. Insbesondere sollen Katalysatorträger mit niedrigerem Strömungswiderstand zur Verfügung gestellt werden sowie offenporöse Materialien, die so in ihrer Funktionalität beeinflusst werden können, dass gezielt eine Besiedlung mit bestimmten, ausgewählten Mikroorganismen erreicht wird und so diese Mikroorganismen immobilisiert werden können.
Erfindungsgemäß wird die erste Aufgabe dadurch gelöst, dass die hochorganisierten, kristallanalogen Überstrukturen oder inversen kristallanalogen Überstrukturen einer hyperkritischen Trocknung unterzogen werden. Die kristallanalogen Überstrukturen werden auch als Gefüge oder Haufenstruktur bezeichnet.
Durch eine hyperkritische Trocknung wird ein schnelleres Abziehen der Flüssigkeit aus den kristallanalogen Überstrukturen erreicht. Des weiteren wird eine Schädigung der Struktur, insbesondere der inversen Strukturen beim Trocknen verhindert. Bezüglich der hyperkritischen Trocknung wird auf Fricke J., „Aerogele - eine faszinierende Klasse hochporöser Materialien" in Umschau 1986, Heft 7, S. 374 - 377 sowie Fricke J., „Aerogels - highly tenuous solids with fascinating properties", Journal of
Non-Crystalline Solids 100 (1988), pp. 169 - 173 verwiesen.
Bei der hyperkritischen Trocknung wird der Umstand ausgenutzt, dass oberhalb des kritischen Punktes die Phasengrenze fest/flüssig aufgehoben wird und nun noch eine einzige Phase existiert, d. h. dass oberhalb der kritischen Temperatur beispielsweise ein Gas durch noch so hohen Druck nicht mehr verflüssigt werden kann.
Da das Zerreißen eines Gels beim Trocknen im wesentlichen auf unterschiedlich hohe Kapillarkräfte in den unterschiedlich großen Poren des Gels zurückgeführt werden kann, kann durch eine hyperkritische Trocknung erreicht werden, dass keine Spannungsdifferenzen im zu trocknenden Festkörper mehr auftreten. Hierdurch wird ein Zerreißen des Festkörpers verhindert. Wie zuvor ausgeführt, gibt es oberhalb des kritischen Punktes nur noch eine einzige Phase gasförmig/flüssig und damit keine Kapillarkräfte, die an einer Phasengrenze gasförmig/flüssig auftreten könnten, mehr. Die einzige Phase gasförmig/flüssig kann dann aus den Poren des Gels abgezogen werden, ohne dass der Festkörper beim Trocknen zerstört wird.
Aus der US 5795557 ist die Herstellung von Aerogelen aus Kieselsäure bekannt. In der US 5795557 wird darauf verwiesen, dass Aerogele durch Sol-Gel-Verfahren erhalten werden können. Das Aerogel wird nach Trocknung, d. h. nach Abscheiden des Alkohols erhalten.
In der US 6139626 wird die Herstellung von Templaten, d. h. synthetischen Opalen und die Füllung der Poren des Templats mit kolloidalen Nanokristailen beschrieben. Die kolloidale Nanokristalllösung enthält wenigstens ein Lösungsmittel, welches extrahiert wird.
Die US 6261469 beschreibt dreidimensionale Kristallstrukturen sowohl kleiner als auch größerer Dimensionen, so auch photonischer Kristalle, unter Anwendung von
Infiltrationsverfahren und Extraktionsstufen. In der US 6261469 werden beispielsweise aus Si02-Kügelchen in kolloidaler Suspension durch Sedimentation synthetische Opale, inverse Opale bzw. Template hergestellt. In diese Template wird dann das gewünschte Material, beispielsweise ein Fluid, infiltriert. Als bevorzugtes Extraktionsverfahren wird auch die superkritische Fluidextraktion in der US 6139626 genannt. Die superkritische Fluidextraktion, wie in der US 6139626 beschrieben, dient lediglich dazu, dass Fluid schneller zu entfernen.
Die hyperkritische Trocknung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird aber so geführt, dass eine zerstörungsfreie Trocknung von regelmäßig angeordneten selbstorganisierten oder gesteuert organisierten Partikelanordnungen, insbesondere inverse kristallanaloge Überstrukturen, die durch Sol-Gel-Infiltration hergestellt werden, ermöglicht wird. Als Sol-Gel-Verfahren sich anorganische, organische oder Hybridverfahren wie zum Beispiel das Ormocer-Verfahren denkbar. Die hyperkritische Trocknung kann auch mehrstufig erfolgen, beispielsweise durch Lösemittelaustausch.
Die hyperkritische Trocknung wird insbesondere dafür eingesetzt werden, die selbstorganisierte oder induziert organisierte kristallanaloge Überstrukturen aus beispielsweise Polymerkügelchen zu trocknen, die wiederum als Template für hochbrechende Materialien dienen können. Diese Templaten können mit hochbrechenden Materialien nach der Sol-Gel-Methode infiltriert werden, ergebend eine inverse Kristallstruktur. Durch hyperkritische Trocknung des infiltrierten Gels können schrumpfungsarme, rißfreie inverse photonische Kristalle durch Abformung erhalten werden. Nachdem das hochbrechende Material, das beispielsweise durch Sol-Gel-Infiltration in das Tempiat eingebracht und gemäß der Erfindung hyperkritisch getrocknet wurde, können die Partikel, die das Tempiat ausbilden, beispielweise die Polymerkügelchen, zur Vergrößerung des Brechungsindeunterschiedes aus der inversen Kristallstruktur herausgelöst werden Das Herauslösen ist beispielsweise durch Ausbrennen möglich.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nicht ein Lösungsmittel schnell extrahiert, wie beispielsweise in der US 6261469 beschrieben, sondern durch hyperkritische Trocknung die Struktur verfestigt und beispielsweise das Tempiat stabilisiert. Es ist dann beispielsweise möglich, photonische Kristalle oder Template zu erhalten, die ohne Halsbildung stabile, übergeordnete, periodische Strukturen ausbilden. Bislang waren derartige Hälse bei photonischen Kristallen zum Zusammenhalt beispielsweise der Überstrukturen und zur Sicherstellung der mechanischen Stabilität notwendig.
Das Fehlen derartiger Halsansätze aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens der hyperkritischen Trocknung hat Vorteile betreffend die optischen Eigenschaften und insbesondere, wenn die Partikel, die das Tempiat ausbilden beispielsweise durch Ausbrennen herausgelöst werden sollen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Herstellung von optischen Bauteilen mit photonischer Kristallüberstruktur mit großen Abmessungen sowie von dreidimensionalen, optischen Bauteilen mit photonischer Kristallüberstruktur komplexer Form und/oder Strukturierung möglich.
Betreffend die Herstellung von Template, die als Vorformling für die Ausbildung von kristallanalogen Überstrukturen von Festkörpern mit höherem Brechungsindex dienen können und die als sogenannte inverse Opale bezeichnet werden, wird auf
"From Opals to Optics: Colloidal Photonic Crystals" von Vicky L. Colvin, MRS Bulletin/August 2001, S. 637-641 , verwiesen.
Der Offenbarungsgehalt sämtlicher zuvor genannter Schriften:
Richard Sietmann "Neue Bauelemente durch photonische Kristalle", Funkschau 26, 1998, S. 76 - 79 "Silicon-based photonic crystals" by Albert Birner, Ralf B. Wehrspohn, Ulrich M. Gösle und Kurt Busch, Advanced Materials, 2001 , 13, Nr. 6, S. 377 - 388
- "From Opals to Optics: Colloidal Photonic Crystals" von Vicky L. Colvin, MRS, Bulletin/August 2001 , S. 637-641
Prospects of Sol-Gel-Processes, von Donald R. Ulrich, Journal of Non- Crystalline Solids 100 (1988), pp. 174 - 193
Charakterisierung von Si02-Gelen und -Gläsern, die nach der Alkoxid-Gel- Methode hergestellt wurden, von Wolfram Beier, Martin Meier und Günther Heinz Frischat, Glastechische Berichte 58 (1985), Nr. 5, S. 97 - 105
Glaschemie von Werner Vogel, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1992, S. 229 - 233
wird vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mit aufgenommen.
Eine hyperkritische Trocknung eines Gels kann beispielsweise durch folgende Verfahrensführung im Falle von Tetra-methyl-ortho-silicat Si(OCH3) (TMOS) zur Herstellung von Si02-Aerogelen, die in das Tempiat zur Ausbildung einer inversen kristallanalogen Überstruktur eingebracht werden, erreicht werden:
Zunächst wird bei konstanter Temperatur der Druck P sehr stark erhöht, beispielsweise bei TMOS zur Herstellung von Si02-Aerogelen auf ungefähr 80 bar. Sodann wird bei konstant gehaltenem Druck die Temperatur auf ca. 270° C erhöht. Unter diesen Bedingungen kann das Fluid aus der Gelstruktur herausgedrängt werden, ohne dass die Gelstruktur zusammenbricht oder schrumpft, da eine derartige Prozessführung stets oberhalb der kritischen Temperatur TK erfolgt und nur eine flüssige bzw. gasförmige Phase vorliegt. Das Herausziehen der flüssigen bzw. gasförmigen Phase erfolgt bei Absenken des Druckes auf Atmosphärendruck. Wenn Atmosphärendruck erreicht ist, wird die Temperatur auf Zimmertemperatur erniedrigt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine hyperkritische Trocknung im Gegensatz zur im Stand der Technik beschriebenen superkritischen Fluidextraktion erreicht. Die Verfahrensführung bei der superkritischen Fluidextraktion ist so gewählt, dass das Fluid schnell abgezogen, d. h. extrahiert wird; bei der hyperkritischen Trocknung ist die Verfahrensführung so gewählt, dass die Überstruktur des photonischen Kristalls stabilisiert wird, so dass beispielsweise Halsansätze wie im Stand der Technik bei photonischen Kristallen vermieden werden können und die Überstruktur auch ohne derartige Halsansätze stabil ist.
Überraschenderweise haben die Erfinder herausgefunden, dass Materialien mit einer sehr regelmäßigen Überstruktur, die zu einer optischen Bandlücke führen, nicht nur für optoelektronische Bauteile, einsetzbar sind, sondern sich auch hervorragend in anderen Bereichen der Optik, beispielsweise als Blocker für IR-
Strahlung oder UV-Strahlung einsetzen lassen. Ein Grund hierfür liegt in der extrem engen Verteilung der charakteristischen Abmessungen der Hohlräume in photonischen Kristallen, wodurch erreicht werden kann, dass derartige Anordnungen als Linien- bzw. Bandfilter hochwellenlängenselektiv sind.
Hergestellt werden kann ein poröses Material in Form eines photonischen Kristalles, der als IR-Blocker eingesetzt wird, auf verschiedene Art und Weise. In einem ersten Verfahren werden Partikel, beispielsweise Polymer-, Silizumdioxid- oder Titandioxid-Partikel in ein Dispersionsmittel gegeben. Die Partikel organisieren sich im Dispersionsmittel durch langsame Sedimentation zu kristallanalogen Überstrukturen selbst oder induziert gesteuert. Anschließend wird das Dispersionsmitte! durch Trocknung, beispielsweise hyperkritische Trocknung, . abgezogen und der selbstorganisierte Kristall stabilisiert. Die Selbstorganisation in kristallanalogen Überstrukturen in einem Dispersionsmittel ist insbesondere bei Siliziumdioxid- oder Titandioxid-Partikeln vorteilhaft, da bei derartigen kristallanalogen Überstrukturen ein großer Brechungsindexunterschied zwischen den Partikeln selbst und den luftgefüllten Hohlräumen besteht.
In einem alternativen Verfahren kann der photonische Kristall durch Sol-Gel- Infiltration in einem Vorformling, ein sogenanntes Tempiat, hergestellt werden.
Photonische Kristalle, die durch Sol-Gel-Infiltration in einen Vorformling, ein sogenanntes Tempiat, hergestellt werden, neigen zudem dazu, beim Trocknungsprozess in kleine Fragmente zu zerfallen. Dies gilt insbesondere für Proben mit größeren Abmessungen, d. h. einer Schichtdicke größer 1 μm. Derartige Proben können rissig werden oder sogar zu Pulver zerfallen, es sei denn der Trocknungsprozess wird sehr vorsichtig und sehr langsam über Monate hinweg durchgeführt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die hochorganisierten kristailanalogen Überstrukturen oder inversen kristallanalogen Überstrukturen, die für UV-Blocker oder IR-Blocker eingesetzt werden, einer hyperkritischen
Trocknung unterzogen.
Durch eine hyperkritische Trocknung wird eine Schädigung der Struktur, insbesondere der inversen Strukturen beim Trocknen verhindert.
Überraschenderweise haben die Erfinder des weiteren herausgefunden, dass Materialien mit einer sehr regelmäßigen Überstruktur, die zu einer optischen Bandlücke führen, auch in völlig anderen Bereichen als dem Bereich der Optik einsetzbar sind und sich hervorragend als Katalysatorträger in chemischen und verfahrenstechnischen Anwendungen eignen. Insbesondere zeichnen sich
Katalysatoren mit derartigen Katalysatorträgern durch einen sehr niedrigen Strömungswiderstand aus. Der Grund hierfür liegt in der extrem engen Verteilung der charakteristischen Abmessungen der Hohlräume in photonischen Kristallen. Des weiteren zeichnen sich derartige Anordnungen aufgrund ihrer engen Verteilung der charakteristischen Hohlräume dadurch aus, dass sie hochselektiv chemische Reaktionen beeinflussen können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Größe der Hohlräume bzw. die Porengröße den Abmessungen der an der fraglichen Reaktion beteiligten Atome, Moleküle oder Radikale angepasst werden können. Des weiteren ist es durch die Steuerung der Größe der Hohlräume in der krsitallanalogen Überstruktur möglich, die Strömungsgeschwindigkeit exakt¬ einzustellen. Des weiteren kann durch die Verwendung von sogenannten photonischen Kristallen als Katalysatorträger in chemischen und verfahrenstechnischen Anwendungen eine größere katalytische Umsetzungskapazität als die derzeit bekannten ungeordneten porösen Materialien und Haufenwerke erzielt werden. Des weiteren ist es möglich, bei den Kolloidkristallen, die eine optische Bandlücke aufweisen, diese derart gezielt weiterzuentwickeln und zu konditionieren, dass ganz spezielle chemische
Reaktionen durch geeignete Gefügeparameter wie Partikelgröße, Partikelform, Partikelabstand, Porosität etc. adressiert werden können.
Hergestellt werden kann ein poröses Material in Form eines photonischen Kristalles, das als Katalysatorträger in chemischen und verfahrenstechnischen
Anwendungen eingesetzt wird, beispielsweise mit Hilfe einer langsamten Sedimentation in einem Dispersionsmittel und anschließender hyperkritischer Trocknung.
Durch die hyperkritische Trocknung wird insbesondere eine Schädigung der
Struktur verhindert. Bezüglich der hyperkritischen Trocknung wird auf die zuvor gemachten Ausführungen verwiesen.
Die Erfinder haben des weiteren herausgefunden, dass Materialien mit einer sehr regelmäßigen Überstruktur, die zu einer optischen Bandlücke führen, sich hervorragend auch für die Immobilisierung von Bakterien und für andere biologische, mikrobiologische, bioverfahrenstechnische sowie medizinische Anwendungen eignen. Ein Grund hierfür liegt in der extrem engen Verteilung der charakteristischen Abmessungen der Hohlräume in photonischen Kristallen, wodurch erreicht werden kann, dass derartige Anordnungen hochselektiv Bakterien, Viren und andere Mikroorganismen und deren Vorstufen immobilisieren können. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von sogenannten photonischen
Kristallen für die Immobilisierung von Bakterien und für andere biologische, mikrobiologische, bioverfahrenstechnische sowie medizinische Anwendungen liegt darin, dass derartige regelmäßige Strukturen mit einer größeren Beladungskapazität als die derzeit bekannten untergeordneten porösen Materialien und Haufewerke ausgerüstet werden können. Des weiteren ist es möglich, bei den Kolloidkristallen, die eine optische Bandlücke aufweisen, derart gezielt weiterzuentwickeln und zu konditionieren, dass ganz spezielle Bakterien bzw. Viren durch geeignete Hohlraumgrößen immobilisiert werden können.
Hergestellt werden kann ein poröses Material in Form eines photonischen
Kristalles, das zur Immobilisierung von Bakterien und für andere biologische, mikrobiologische, bioverfahrenstechnische sowie medizinische Anwendungen eingesetzt wird, beispielsweise mit Hilfe einer langsamen Sedimentation in einem Dispersionsmittel und anschließender hyperkritischer Trocknung.
Aufgrund der extrem engen Verteilung der charakteristischen Abmessungen der Hohlräume in photonischen Kristallen eignen sich diese Strukturen auch zur Reinigung und Aufbereitung von Wasser. Durch die extrem enge Verteilung der Abmessung der Hohlräume sind derartige Anordnungen hochselektiv. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von sogenannten photonischen Kristallen für die
Reinigung und Aufbereitung von Wasser liegt darin, dass derartige regelmäßige Strukturen mit einer größeren Durchsatzkapazität als die derzeit bekannten ungeordneten porösen Materialien und Haufenwerke zulassen. Des weiteren ist es möglich, die Kolloidkristalle, die eine optische Bandlücke aufweisen, derart gezielt weiterzuentwickeln und zu konditionieren, dass das Substratmaterial, die
Oberflächenbeschaffenheit und die Gefügeparameter, d. h. Partikelgröße, Partikelform, Partikelabstand, Porosität etc., auf die Anwendung hin maßgeschneidert werden können.
Hergestellt werden kann ein poröses Material in Form eines photonischen Kristalles, das für die Reinigung und Aufbereitung von Wasser eingesetzt wird, beispielsweise mit Hilfe einer langsamen Sedimentation in einem Dispersionsmittel und anschließender hyperkritischen Trocknung, bei der das Dispersionsmittel abgezogen wird.
Eine weitere überraschende Verwendung photonischer Kristalle sind Farbeffekt-
Schichten und eine Farbeffekt-Beschichtung. Derartige Schichten bzw. Beschichtungen auf der Basis photonischer Kristalle zeichnen sich durch eine intensive Ausbildung der Farbwirkung sowie der Farbdynamik aus. Die Farbeffekt- Beschichtung ist insbesondere für die Anwendung auf einer Vielzahl von großflächigen und beliebig geformten Substraten geeignet.
Hergestellt werden kann ein poröses, einen Farbeffekt erzeugendes Beschichtungsmaterial in Form eines photonischen Kristalles auf verschiedene Art und Weise. Eine erste erfindungsgemäße Farbeffekt-Beschichtung erhält man dadurch, dass sich Partikel, beispielsweise Polymer-, Siliziumdioxid- oder
Titandioxid-Partikel, in ein Dispersionsmittel durch langsame Sedimentation zu kristallanalogen Überstrukturen selbst oder induziert gesteuert organisieren. Hierbei wird die Gitterperiodizität der so entstehenden kristallanalogen Überstruktur durch die Wahl der Partikelgröße bestimmt. Für Farbeffekt- Beschichtungen müssen die kristallanalogen Überstrukturen eine Gitterperiodizität im Brechzahlverlauf im Bereich der Wellenlänge des sichtbaren Spektrums, d.h. im Bereich 380 nm < d < 780 nm, aufweisen. Entscheidend für die optische Qualität der Farbeffekt-Beschichtung ist die strenge Periodizität im Brechzahlverlauf und hohe Symmetrie des photonischen Kristalls.
Die Selbstorganisation in kristallanalogen Überstrukturen in einem Dispersionsmittel ist insbesondere bei Siliziumdioxid- oder Titandioxid-Partikeln vorteilhaft, da bei derartigen kristallanalogen Überstrukturen ein großer Brechungsindexunterschied zwischen den Partikeln selbst und den luftgefüllten Hohlräumen besteht. Zur Schaffung dieser Luft gefüllten Hohlräume muss das Dispersionsmittel aus der kristallanalogen Überstruktur abgezogen werden. Da dies wie voranstehend beschrieben, aufgrund der Flächigkeit der Beschichtung und den wirkenden Kapillarkräften problematisch ist, ist es besonders vorteilhaft, dass das Dispersionsmittels durch eine hyperkritische Trocknung abgezogen wird und so eine hochgeordnete, kristallanaloge Überstruktur mit Luft gefüllten Zwischenräumen entsteht, deren Gitterstruktur so gleichmäßig erhalten bleibt, dass die erwünschten Farbeffekte voll zur Geltung kommen. Die vorteilhafte
Wirkdung des Verfahrens mit einer hyperkritischen Trocknung ist darin zu sehen, dass poröse, einen Farbeffekt erzeugende Beschichtungsmaterial in ausreichend stabiler Weise im Wesentlichen ohne die halsartigen, die optischen Eigenschaften der Beschichtung störenden Materialverbindungen zwischen den Partikeln erhalten werden können. Die halsartigen Verbindungen sind beispielsweise für die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls bei Verwendung in Farbeffektschichten störend, da die strenge Periodizität des Filters nachteilig beeinflusst wird.
Eine alternative Farbeffekt-Schicht bzw. eine alternative Farbeffekt-Beschichtung auf der Basis photonischer Kristalle stellt eine inverse Struktur zu der voranstehend beschriebenen dar. Hierzu wird ein photonischer Kristall als Beschichtung durch Sol-Gel-Infiltration in einem Vorformling, ein sogenanntes Tempiat, hergestellt. Hierbei wird als Template eine erfindungsgemäße, hochgeordnete kristallanaloge Überstruktur ohne halsartige Verbindungen zwischen den die Überstruktur bildenden Partikeln verwendet, wie sie voranstehend beschieben wurde.
Die Erfindung soll nachfolgend noch anhand der Figuren verdeutlicht werden. Es zeigen: Fig.1a - c die Herstellung von kristallanalogen Überstrukturen aus
Polymerkügelchen, Ti02- oder Si02 - oder anderen Metalloxid - Kügelchen durch hyperkritische Trocknung
Fig. 2a - c die Herstellung von kristallanalogen Überstrukturen aus hochbrechendem Materialien durch Sol-Gel-Infiltration eines Templates und hyperkritische Trocknung des Sol-Gel Infiltrates.
Fig. 3 eine Farbeffekt-Beschichtung auf einem Substrat umfassend zwei poröse Materialschichten mit unterschiedlicher räumlicher
Periodizität,
Fig. 4 eine kristallanaloge Überstruktur gemäß dem Stand der Technik, wobei zwischen den die Überstruktur bildenden Partikeln halsförmige Materialverbindungen zur mechanischen Verfestigung ausgebildet sind.
In den Figuren 1a bis 1c ist die Herstellung einer kristallanalogen Überstruktur durch Zugabe von Partikeln 1 , vorzugsweise Kügelchen mit Abmessungen 10 nm bis 10 μm in ein Dispersionsmittel 3 und Abziehen des Dispersionsmittels, gezeigt.
Die Partikel können Polymer-, Ti02 - oder Si02 - Kügelchen oder Kügelchen aus anderen organischen oder anorganischen Materialien sein. Als Polymerpartikel kommen insbesondere Polystyrol (PS)- oder Polymethylmetacrylat (PMMA)-Partikel, bevorzugt Polystyrol (PS)- oder Polymethylmethacrylat (PMMA)- Kügelchen in Betrecht. Gemäß Figur 1a sind die Partikel in der Lösung 3 unregelmäßig verteilt. Durch Sedimentaion und Selbstorganisation oder induzierte gesteuerte Organisation ordnen sich die Partikel in kristallanalogen, regelmäßigen Überstrukturen 5 an. Dies ist in Figur 1 b gezeigt. Das in Figur 1b noch vorhandene Dispersionsmittel wird abgezogen, vorzugsweise durch hyperkritische Trocknung. Es entsteht dann der in Figur 1c gezeigte Festkörper 5, der eine kristallanaloge
Überstruktur aufweist. Der Festkörper 5 kann selbst der photonische Kristall sein, beispielsweise im Falle von Ti02- oder Si02 - Kügelchen oder als Tempiat für hochbrechende Materialien dienen. Besteht der Festkörper 5 aus Tiθ2-Kügelchen, so kann der Festkörper 5 ohne weitere Bearbeitung, beispielsweise Beschichtung, als poröses Material für die Reinigung und Aufbereitung von Wasser verwandt werden.
Ist der Festkörper 5 eine kristallanaloge Überstruktur, beispielsweise aus Si02- oder Polymerkügelchen, so bildet der Festkörper 5 das Basismaterial aus, auf das eine Ti02- oder Titanoxid-haltige Beschichtung aufgebracht werden kann, die dann die funktioneile Schicht für die Reinigung und Aufbereitung von Wasser ausbildet. Insbesondere kann durch die Beschichtung die Funktionalität maßgeschneidert werden.
Wird ein Polymerfestkörper mit einer kristallanalogen Überstruktur als Tempiat verwendet, so kann der photonische Kristall mit hochbrechendem Material wie in Figuren 2a - 2c gezeigt durch Sol-Gel Infiltration mit einem hochbrechenden
Material, hergestellt werden. Gemäß Figur 2a wird beispielsweise der Polymerfestkörper mit einer kristallanalogen Überstruktur in eine kolloidale Lösung bzw. Sol 10 gegeben. Die kollidale Lösung umfasst Partikel 12 mit einer Größe zwischen 5 - 10-10 und 2 - 10-7 m, die agglomerieren und eine Gelstruktur ausbilden.
In den Zwischenräumen 14 des Polymerfestkörpers 5, der das Tempiat für das hochbrechende Material bildet, wird eine Gelstruktur ausgebildet. Die Gelstruktur wird erfindungsgemäß hyperkritisch getrocknet. Die hyperkritisch getrocknete Struktur ist in Figur 2c gezeigt. Das getrocknete hochbrechende Material ist mit 20 bezeichnet, die Mikrostruktur, die sich aufgrund der Mikroporositäten ergibt mit 22. Um den Brechungsindeunterschied zu erhöhen können die Partikel 1 des Templates herausgelöst werden, beispielsweise bei einem aus Polymerkügelchen aufgebautem Festkörper als Tempiat durch Herausbrennen. Im Gegensatz zu einer Anwendung im Bereich der Optik, bei der ein großer Brechnungsindexunterschied zwischen den regelmäßigen Strukturen hergestellt werden muss, ist es bei der Anwendung regelmäßig aufgebauter photonischer Kristalle für die Immobilisierung von Bakterien und anderen biologischen, mikrobiologischen, bioverfarenstechnischen sowie medizinischen Anwendungen nicht notwendig, zwischen den regelmäßigen Strukturen einen hohen Brechungsindexunterschied einzubringen. Dies ist bei photonischen Kristallen sehr aufwendig und wird beispielsweise mit der Methode der inversen Opale erreicht. Nachfolgend soll die Verwendung photonischer Kristalle als Farbeffekt- Schichten bzw. Beschichtungen beschrieben werden.
Figur 3 zeigt eine Farbeffekt-Beschichtung auf einem Substrat 102 mit zwei porösen, kristallanalog geordneten Schichtlagen 101.1 , 101.2 , die sich in ihrer Gitterperiodizität unterscheiden. Beide Gitterperiodizitäten der Brechzahl sollen so gewählt sein, dass nur Licht einer Wellenlänge, die im Bereich des sichtbaren
Lichtes, d. h. zwischen 380 nm und 780 nm liegt, reflektiert wird. Da jede der Schichten selektive Wellenlängen reflektiert, entsteht für den Betrachter winkelabhängig ein gemischter Farbeindruck, der gleichzeitig durch eine opaleszierende Wirkung charakterisiert wird. Hierbei kann eine erfindungsgemäße Farbeffekt-Beschichtung jedoch auch durch eine poröse Schicht mit einheitlicher
Gitterperiodizität oder mit mehr als zwei unterschiedlichen Gitterperiodizitäten ausgebildet werden.
Die Herstellung einer kristallanalogen Überstruktur ist in den Figuren 1a - 1c sowie falls beispielsweise ein Polymerfestkörper mit einer kristallanalogen
Überstruktur als Tempiat verwendet wird, in den Figuren 2a - 2c beschrieben.
Figur 4 zeigt in schematisch vereinfachter Weise eine mechanische Verfestigung der kristallanalogen Überstruktur durch die Ausbildung von halsartigen Materialverbindungen 130 zwischen den Partikeln 101. Nachteilig an einer solchen
Struktur ist, dass in ihrem Wachstum in der Regel nicht hinreichend genau kontrolliert werden können, so dass sich eine Abweichung von der symmetrischen Struktur und eine Verzerrung des Gitters ergibt, was beispielsweise die Farbeffekte der Beschichtung verringert oder bei anderen Anwendungen andere Nachteile hat, wie beispielsweise eine verringerte Selektorität bei Anwendung im Bereich der Wasseraufbereitung oder bei der Immobilisierung von Mikroorganismen.
Mit der Erfindung wird erstmals ein Verfahren zur Herstellung von hochorganisierten Überstruktur-Materialien angegeben, mit dem photonische Kristalle auch mit relativ großen Abmessungen im Bereich einiger Zentimeter (cm) bis Dezimeter (dm) bei bulk-Materialien und bis zu einigen Metern (m) bei
Beschichtungen hergestellt werden können.
Des weiteren gibt die Erfindung poröse Materialien an, die im IR-Wellenbereich hochselektiv als IR-Blocker wirken, beispielsweise als IR-blockendes Beschichtungsmaterial für Fensterscheiben, Automobilscheiben, Brillengläser, technische und wissenschaftliche Bauteile mit IR-Filterfunktion, Bauteile für Solaranlagen, Lampengläser sowie für Elektronikbauteile finden, in Solaranlagen, insbesondere Solarthermieanlagen, gelingt es, mit derartigen IR-Filtem den Wirkungsgrad erheblich zu steigern. Im Bereich der Lampengläser und Abdeckungen kann die Energieausbeute ebenfalls erheblich erhöht werden, da infolge der Reflexion des mit einem IR-blockenden Material beschichteten Substrates das abgestrahlte IR-Licht zurück auf die Lichtquelle, beispielsweise die Wendel, fokussiert wird. Im Bereich der Elektronikbauteile kann ein IR-blockendes Beschichtungsmaterial dafür eingesetzt werden, derartige Bauteile von Wärmestrahlung bzw. zu großer Aufheizung durch benachbarte heiße
Komponenten bzw. die Umgebung zu schützen. Die IR-blockende Schicht gemäß der Erfindung kann auf Substrate mit Hilfe eines Tauch-, eines Schleuder- oder Sprühverfahrens aufgebracht werden. Als Substratmaterialien für die IR- blockenden Schichten kommen jede Art von Gläsern, transparenten Grundstoffen oder anderen transparenten Substraten, aber auch opake Substrate wie Metalle und Keramiken in Betracht. Des weiteren "gibt die Erfindung poröse Materialien an, die im UV-Wellenbererch hochselektiv als UV-Blocker wirken, beispielsweise als UV-blockendes Beschichtungsmaterial für Fensterscheiben, Automobilscheiben, Brillengläser, insbesondere Sonnenbrillengläser technische und wissenschaftliche Bauteile mit UV-Filterfunktion finden. Die UV-blockende Schicht gemäß der Erfindung kann auf
Substrate mit Hilfe eines Tauch-, eines Schleuder- oder Sprüh Verfahrens aufgebracht werden. Bevorzugt können wie oben beschrieben die photonischen Kristalle direkt mit Sol-Gel-Methoden hergestellt werden. Als Substratmaterialien für die UV-blockenden Schichten kommen jede Art von Gläsern, transparenten Grundstoffen oder anderen transparenten Substraten, aber auch opake Substrate wie Metalle und Keramiken für reflektive Optiken in Betracht.
Des weiteren wird mit der Erfindung erstmals ein poröses Material und ein Verfahren angegeben, das in bioverfahrenstechnischen und medizinischen Anwendungen, insbesondere Bakterien, hochspezifisch immobilisiert werden können.
Ebenso sind erstmals poröse Materialien und ein Verfahren zur Herstellung angegeben, mit dem Katalysatorträger mit einer sehr regelmäßigen Porengröße hergestellt werden können sowie poröse Materialien mit denen in bioverfahrenstechnischen und medizinischen Anwendungen, insbesondere Bakterien, hochspezifisch immobilisiert werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Materialien mit kristallanaloger Überstruktur oder inverser kristallanaloger Überstruktur, insbesondere photonischen, Kristallen, wobei
1.1 die Materialien mit kristallanaloger Überstruktur durch Selbstorganisatiόn oder induziert gesteuerte Prozesse und
1.2 durch hyperkritische Trocknung erhalten werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien mit kristallanaloger '
Überstruktur durch nachfolgende Schritte erhalten werden: 2.1 es werden Partikel werden in ein Dispersionsmittel gegeben 2.2 die Partikel organisieren sich im Dispersionsmittel durch langsame
Sedimentation zu kristallanalogen Überstrukturen selbst oder induziert gesteuert 2.3 das Dispersionsmittel wird durch hyperkritische Trocknung abgezogen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien mit inverser kristallanaloger Überstruktur durch nachfolgende Schritte erhalten wird:
3.1 es werden Partikel in ein Dispersionsmittel gegeben
3.2 die Partikel organisieren sich durch langsame Sedimentation zu kristallanalogen Überstrukturen selbst oder induziert gesteuert ergebend ein
Vorformling
3.3 das Dispersionsmittel wird durch Trocknung abgezogen
3.4 durch eine Sol-Gel-Infiltration wird der Vorformling mit dem Material, das die inverse kristallanaloge Überstruktur ausbildet gefüllt, 3.5 das Sol-Gel-Infiltrat wird hyperkritisch getrocknet, so dass sich eine inverse kristallanaloge Überstruktur ausbildet. 4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien mit inverser kristallanaloger Überstruktur durch nachfolgende Schritte erhalten wird:
4.1 es werden Partikel in ein Dispersionsmittel gegeben
4.2 die Partikel organisieren sich durch langsame Sedimentation zu
5 kristallanalogen Überstrukturen selbst oder induziert gesteuert ergebend ein
Vorformling
4.3 das Dispersionsmittel wird durch hyperkritische Trocknung abgezogen
4.4 durch eine Sol-Gel-Infiltration wird der Vorformling mit dem Material, das die inverse kristallanaloge Überstruktur ausbildet gefüllt,
10 4.5 das Sol-Gel-Infiltrat wird hyperkritisch getrocknet, so dass sich eine inverse kristallanaloge Überstruktur ausbildet.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des Vorformlings aus der inversen kristallanalogen Überstruktur 15 herausgelöst werden.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des Vorformlinges durch Ausbrennen herausgelöst werden.
20 7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Partikel Metalloxidpartikel, insbesondere Ti02- oder Si02-Partikel sind, besonders bevorzugt Ti02- oder Siθ2-Kügelchen.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch -25 gekennzeichnet, dass die Partikel Kunststoffpartikel, insbesondere
Polystyrol (PS) oder Polymethylmetacrylat (PMMA)-Partikel, besonders bevorzugt Polystyrol (PS) oder Polymethylmetacrylat (PMMA)- Kügelchen sind.
30 9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel eine Größe im Bereich 10 nm bis 10 μm aufweist.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sol-Gel-Infiltrat ein Ti02 - oder ein Si02 -Sol-Gel umfasst, das einer hyperkritischen Trocknung unterzogen wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Sol-Gel Infitration in einer ersten Verfahrensstufe eine kolloidale Lösung bzw. Sol ausgebildet wird, umfassend Partikel mit einer Größe zwischen
5 - 10-10 und 2 - 10-7 m, die agglomerieren und 11.1 eine Gelstruktur ausbilden
11.2 die Gelstruktur wird hyperkritisch getrocknet, umfassend die nachfolgenden Verfahrensschritte:
11.3 die Gelstruktur wird in einem Autoklaven einem vorgegebenen hohen Druck ausgesetzt, der bei einer vorgegebenen Temperatur oberhalb des kritischen Druckes der in der Gelstruktur eingeschlossenen Flüssigkeit liegt
11.4 die Gelstruktur wird bei konstant gehaltenem Druck auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der kritischen Temperatur der Flüssigkeit bei Atmosphärendruck liegt
11.5 der Druck, dem die Gelstruktur ausgesetzt ist, wird bis auf Atmosphärendruck abgesenkt, wobei die Temperatur stets oberhalb der kritischen Temperatur bei Atmosphärendruck gehalten und die in der Gelstruktur enthaltene Flüssigkeit abgezogen wird
11.6 die Temperatur wird auf die vorgegebene Temperatur abgesenkt und
11.7 ein getrockneter Festkörper erhalten.
12. Poröses Material für die Blockung von IR-Strahlem mit
12.1 einer kristallanalogen Überstruktur oder inversen kristallanalogen
Überstruktur, die von einem regelmäßigen Gefüge aus Partikeln gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass 12.2 die charakteristischen Abmessungen der verschiedenen regelmäßig angeordneten Hohlräume der kristallanalogen oder inversen kristallanalogen Überstruktur, weitgehend übereinstimmen und innerhalb einer sehr engen Verteilung liegen, 12.3 wobei diese Verteilung der Verteilung der charakteristischen Abmessungen in photonischen Kristallen entspricht und die kristallanaloge oder inverse kristallanaloge Überstruktur einen regelmäßigen Abstand d aufweist, der im Bereich 0,7 μm < d < 100 μm liegt.
13. Poröses Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der regelmäßige Abstand d im Bereich 1 ,0 μm < 100 μm liegt.
14. Poröses Material nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein Kolloidkristall mit einer kristallanalogen Überstruktur ist.
15. Poröses Material nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kolloidkristall ein Polymer- oder ein Titandioxid- oder Siliziumdioxid- Kolloidkristall ist.
16. Poröses Material nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Kolloidkristall Polystyrol-Partikel oder Polymethylmetacrylat-
Partikel umfasst.
17. Poröses Material nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein hochbrechendes Material ist, " das durch Abformen der Struktur eines Kolloidkristall als inverse kristallanaloge Überstruktur erhalten wird.
18. Poröses Material nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das hochbrechende Material, das die inverse kristallanaloge Überstruktur ausbildet, eines der nachfolgenden Materialien ist: Ti02 InP CdSe
19. Poröses Material nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die inverse kristallanaloge Überstruktur durch Sol-
Gel-Infiltration des Kolloidkristalls mit hochbrechendem Material hergestellt wird.
20. Poröses Material nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Sol-Gel-Verfahrens hergestellte inverse kristallanaloge Überstruktur hyperkritisch getrocknet wird.
21. Verfahren zur Herstellung von porösen Materialien gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20 mit kristallanaloger Überstruktur oder inverser kristallanaloger Überstruktur, wobei die Materialien mit kristallanaloger
Überstruktur mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt werden.
22. Verbundmaterial umfassend ein 22.1 Substratmaterial sowie ein
22.2 poröses Material gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei das poröse Material mittels
22.3 Tauch-, Schleuder- oder Sprühverfahren auf das Substratmaterial aufgebracht wird.
23. Verbundmaterial gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial eines der nachfolgenden Materialien ist:
- Fensterscheiben
- Automobilscheiben - Brillengläser
- Bauteile für technische und wissenschaftliche Geräte mit IR- Fiiterfunktion - beschichtete Bauteile für Solaranlagen
- beschichtete Lampengläser
- beschichtete Elektronikbauteile
24. Verwendung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 12 bis 20 als
IR-blockendes Beschichtungsmaterial für
- Fensterscheiben
- Automobilscheiben
- Brillengläser - technische und wissenschaftliche Bauteile mit IR-Filterfunktion
- Bauteile für Solaranlagen
- Lampengläser
- Elektronikbauteile
25. Poröse Materialien für die Blockung von UV-Strahlern mit
25.1 einer kristallanalogen oder inversen kristallanalogen Überstruktur, die von einem regelmäßigen Gefüge aus Partikeln gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
25.2 die charakteristischen Abmessungen der verschiedenen regelmäßig angeordneten Hohlräume der kristallanalogen oder inversen kristallanalogen Überstruktur weitgehend übereinstimmen und innerhalb einer sehr engen Verteilung liegen,
25.3 wobei diese Verteilung der Verteilung der charakteristischen Abmessungen in photonischen Kristallen entspricht und die kristallanaloge oder inverse kristallanaloge Überstruktur einen regelmäßigen Abstand d aufweist, der im
Bereich 3 nm < d < 300 nm liegt.
26. Poröses Material nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der regelmäßige Abstand d im Bereich 10 < d < 280 nm liegt.
27. Poröses Material nach einem der Ansprüche 25 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein Kolloidkristall mit einer regelmäßigen kristallanalogen Überstruktur ist.
5 28. Poröses Material nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kolloidkristall ein Polymer- oder ein Titandioxid- oder Siliziumdioxid- Kolloidkristall ist.
29. Poröses Material nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der 10 Polymer-Kolloid kristall Polystyrol-Partikel oder Polymethylmetacrylat-
Partikel umfasst.
30. Poröses Material nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein hochbrechendes Material ist,
15 das durch Abformen der Struktur eines Koiloidkristall als inverse kristallanaloge Überstruktur erhalten wird.
31. Poröses Material nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das hochbrechende Material eines der nachfolgenden Materialien ist:
20 Ti02
InP CdSe
32. Poröses Material nach einem der Ansprüche 30 bis 31 , dadurch
-25 gekennzeichnet, dass die inverse kristallanaloge Überstruktur durch Sol-
Gel-Infiltration des Kolloidkristalls mit hochbrechendem Material hergestellt wird.
33. Poröses Material nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die 30 mittels Sol-Gel-Infiltration hergestellte inverse kristallanaloge Überstruktur hyperkritisch getrocknet wird.
34. Verfahren zur Herstellung von porösen Materialien gemäß einem der Ansprüche 25 bis 33 mit kristallanaloger Überstruktur oder inverser kristallanaloger Überstruktur, wobei die Materialien mit kristallanaloger Überstruktur mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt werden.
35. Verbundmaterial umfassend ein
35.1 Substratmaterial sowie ein
35.2 poröses Material gemäß einem der Ansprüche 25 bis 33, wobei das poröse Material mittels
35.3 Tauch-, Schleuder- oder Sprühverfahren auf das Substratmaterial aufgebracht wird.
36. Verbundmaterial gemäß Anspruch 35 dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial eines der nachfolgenden Materialien ist:
- Fensterscheiben
- Automobilscheiben
- Brillengläser
- Bauteile für technische und wissenschaftliche Geräte mit UV- Filterfunktion
- Bauteile für Solaranlagen
- Lampengläser
- Elektronikbauteile
- Sichtscheiben für UV-Sterilisatoren - reflektierende Optiken und Komponenten für extrem kurzwellige UV-
Strahlung, beispielsweise in der EUV-Lithographie
37. Verwendung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 25 bis 33 als UV-blockendes Beschichtungsmaterial für - Fensterscheiben
- Automobilscheiben - Brillengläser
- technische und wissenschaftliche Bauteile mit UV-Filterfunktion
38. Poröse Materialien für biologische, mikrobiologische, bioverfahrenstechnische sowie medizinische Anwendungen, insbesondere zur Immobilisierung von Bakterien mit ' 38.1 einer kristallanalogen Überstruktur, die von einem regelmäßigen Gefüge aus Partikel gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass 38.2 die charakteristischen Abmessungen der verschiedenen regelmäßig angeordneten Hohlräume, die zwischen den regelmäßig angeordneten Partikeln ausgebildet werden, weitgehend übereinstimmen und innerhalb einer sehr engen Verteilung liegen, wobei diese Verteilung der Verteilung der charakteristischen Abmessungen in photonischen Kristallen entspricht.
39. Poröses Material nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein Kolloidkristall mit einer regelmäßigen kristallanalogen Überstruktur ist.
40. Poröses Material nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kolloidkristall mit kristallanaloger Überstruktur ein Polymer- oder Titandioxid- oder Siliziumdioxid-Kolloidkristall ist.
41. Poröses Material nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Kolloidkristall Polystyrol oder Polymethylmetacrylat-Partikel.
42. Verfahren zur Herstellung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 38 bis 41 mit folgenden Schritten:
42.1 es werden Partikel in ein Dispersionsmittel gegeben 42.2 die Partikel organisieren sich im Dispersionsmittel durch langsame
Sedimentation 42.3 das Dispersionsmittel wird durch hyperkritische Trocknung abgezogen.
43. Verwendung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 38 bis 41 zur hochselektiven Immobilisierung von Bakterien.
44. Verwendung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 38 bis 41 zur hochselektiven Immobilisierung von Viren.
45. Verwendung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 38 bis 41 zur hochselektiven Immobilisierung von Mikroorganismen oder Vorstufen von Mikroorganismen.
46. Poröse Materialien für die Reinigung und Aufbereitung von Wasser mit 46.1 einer kristallanalogen Überstruktur, die von einem regelmäßigen Gefüge aus Partikeln gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass 46.2 die charakteristischen Abmessungen der verschiedenen regelmäßig angeordneten Hohlräume, die zwischen den regelmäßig angeordneten Partikeln ausgebildet werden, weitgehend übereinstimmen und innerhalb einer sehr engen Verteilung liegen, wobei diese Verteilung der Verteilung der charakteristischen Abmessungen in photonischen Kristallen entspricht und die kristallanaloge Überstruktur zumindest teilweise Titanoxid oder Ti02 aufweist.
47. Poröses Material nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanoxid oder das Tiθ2-haltige Material oder Materialien als Beschichtung auf ein Basismaterial, das die kristallanaloge Überstruktur ausbildet, aufgebracht wird.
48. Poröses Material nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanoxid oder Ti02-haltiges Material oder Materialien selbst als Basismaterial der kristaiianalogen Überstruktur dient.
49. Poröses Material nach einem der Ansprüche 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass Titanoxid oder Ti02-haltiges Material oder Materialien Ti02 in der Kristallmodifikation Anatas umfasst.
50. Poröses Material nach einem der Ansprüche 46 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial der kristallanalogen Überstruktur ein Polymerkolloidkristall ist.
51. Poröses Material nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Kolloidkristall Polystyrol oder Polymethylmetacrylat-Partikel.
52. Poröses Material nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Kolloidkristall Polystyrol oder Polymethylmetacrylat-Partikel.
53. Poröses Material nach einem der Ansprüche 46 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial der kristallanalogen Überstruktur ein Siliziumoxid- oder Siliziumdioxid-Kolloidkristall ist.
54. Poröses Material nach einem der Ansprüche 46 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallanaloge Überstruktur durch Sedimentation in einem Dispersionsmittel und anschließendes Abziehen durch hyperkritische Trocknung erhalten wird.
55. Verfahren zur Herstellung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche - 46 bis 54 mit folgenden Schritten:
55.1 es werden Partikel in ein Dispersionsmittel gegeben
55.2 die Partikel organisieren sich im Dispersionsmittel durch langsame Sedimentation selbst oder induziert gesteuert
55.3 das Dispersionsmittel wird durch hyperkritische Trocknung abgezogen.
56. Verwendung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 46 bis 54 für die Reinigung und Aufbereitung von Wasser.
57. Poröse Materialien als Katalysatorträger in chemischen und verfahrenstechnischen Anwendungen, mit
57.1 einer kristallanalogen Überstruktur, die von einem regelmäßigen Gefüge aus Partikel gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass
57.2 die charakteristischen Abmessungen der verschiedenen regelmäßig angeordneten Hohlräume, die zwischen den regelmäßig angeordneten Partikeln ausgebildet werden, weitgehend übereinstimmen und innerhalb einer sehr engen Verteilung liegen, wobei diese Verteilung der Verteilung der charakteristischen Abmessungen in photonischen Kristallen entspricht.
58. Poröses Material nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein Kolloidkristall mit einer regelmäßigen kristallanalogen Überstruktur ist.
59. Poröses Material nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolloidkristall mit kristallanaloger Überstruktur ein Titandioxid- oder Siliziumdioxid-Kolloidkristall ist.
60. Poröses Material nach einem der Ansprüche 57 bis 59, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallanaloge Überstruktur durch Sedimentation in einem Dispersionsmittel und anschließendes Abziehen durch hyperkritische Trocknung erhalten wird.
61. Verfahren zur Herstellung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 57 bis 60 mit folgenden Schritten:
61.1 es werden Partikel in ein Dispersionsmittel gegeben
61.2 die Partikel organisieren sich im Dispersionsmittel durch langsame Sedimentation
61.3 das Dispersionsmittel wird durch hyperkritische Trocknung abgezogen.
62. Verwendung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 57 bis 60 als Katalysatorträger.
63. Verwendung poröser Materialien gemäß einem der Ansprüche 57 bis 61 als Katalysatorträger in technischen, chemischen und verfahrenstechnischen
Anwendungen.
64. Farbeffekt-Schichtsystem, umfassend 64.1 ein Trägersubstrat (102); 64.2 wenigstens eine poröse Materialschicht (101.1 , 101.2);
64.3 die poröse Materialschicht (101.1 , 101.2) ist mit dem Trägersubstrat (102) wenigstens mittelbar verbunden; dadurch gekennzeichnet, dass
64.4 die poröse Materialschicht (101.1 , 101.2) eine kristallanaloge oder inverse kristallanaloge Überstruktur aufweist, die von einem regelmäßigen Gefüge aus Partikeln (101 ) gebildet wird;
64.5 die charakteristischen Abmessungen der verschiedenen regelmäßig angeordneten Hohlräume der kristallanalogen oder inversen kristallanalogen Überstruktur weitgehend übereinstimmen und innerhalb einer sehr engen Verteilung liegen,
64.6 wobei diese Verteilung der Verteilung der charakteristischen Abmessungen in photonischen Kristallen entspricht und die kristallanaloge oder inverse kristallanaloge Überstruktur einen regelmäßigen Abstand d aufweist, derart gewählt ist, dass im wesentlichen Licht einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich, d. h. im Bereich 380 nm < d < 780 nm reflektiert wird.
65. Farbeffekt-Schichtsystem nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallanaloge Überstruktur im Wesentlichen keine halsförmigen Materialverbindungen (130) zwischen den das regelmäßige Gefüge bildenden Partikeln (101 ) aufweist.
66. Farbeffekt-Schichtsystem nach Anspruch 64, dadurch gekennzeichnet, dass die inverse kristallanaloge Überstruktur im Wesentlichen keine inversen halsförmigen Durchgänge in den Wandungen (108) zwischen den" Poren (106) aufweist.
67. Farbeffekt-Schichtsystem nach einem der Ansprüche 64 bis 65, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein Kolloidkristall mit einer regelmäßigen kristallanalogen Überstruktur ist.
68. Farbeffekt-Schichtsystem nach Anspruch 67, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolloidkristall ein Polymer- oder ein Titandioxid- oder Siliziumdioxid-Kolloidkristall ist.
69. Farbeffekt-Schichtsystem nach Anspruch 68, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymer-Kolloidkristall Polystyrol-Partikel oder
Polymethylmetacrylat-Partikel umfasst.
70. Farbeffekt-Schichtsystem nach einem der Ansprüche 64 bis 67, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material ein hochbrechendes Material ist, das durch Abformen der Struktur eines Kolloidkristall als inverse kristallanaloge Überstruktur erhalten wird.
71. Farbeffekt-Schichtsystem nach Anspruch 70, dadurch gekennzeichnet, dass das hochbrechende Material eines der nachfolgenden Materialien ist: Ti02 lnP CdSe
72. Farbeffekt-Schichtsystem nach einem der Ansprüche 70 bis 71 , dadurch gekennzeichnet, dass die inverse kristallanaloge Überstruktur durch Sol- Gel-Infiltration des Kolloidkristalls mit hochbrechendem Material hergestellt wird. ( Farbeffekt-Schichtsystem nach Anspruch 72, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Sol-Gel-Infiltration hergestellte inverse kristallanaloge Überstruktur hyperkritisch getrocknet wird.
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