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Kompetenzen ISC

Fraunhofer Allianz Nanotechnologie
 

Im folgenden sind einige Beispiel für die Anwendung von anorganischen und hybriden Sol-Gel-Materialien gezeigt.

Interferenzfilter

Über ein Sol-Gel-Verfahren werden TiO2-Schichten hergestellt, durch das sich Einfachschichtdicken bis zu 300 nm herstellen lassen. Das Material zeigt sehr gute Haftung auf allen untersuchten Substraten (Glas, Metalle, Si). Die Schichten sind von exzellenter optischer Qualität und die TiO2-Partikel haben eine Größe von 20 nm. Das Verfahren wird von der Industrie zur Herstellung von Interferenzfiltern verwendet.

Bild: Foto Interferenzfilter und REM Bruchkante.

 

 

Foto Interferenzfilter und REM Bruchkante

Optische Streuschichten

Auf Basis von nanoskaligen SiO2 Partikeln können über das Sol-Gel Verfahren lichtstreuende Schichten hergestellt werden. Als Substrate für die Deposition von Dünnschicht-Solarzellen verlängern sie den Lichtweg im Absorbermaterial und erhöhen den Wirkungsgrad der resultierenden Zellen. Die Lichtauskopplung aus LED Leuchtmitteln ist ein weiteres Anwendungsgebiet dieser optischen Streuschichten.

Bild: Querschnitt einer a-Si / µc - Si Solarzelle auf nanoskaliger Streuschicht.

 

 

Querschnitt  einer a-Si / µc - Si Solarzelle auf nanoskaliger Streuschicht

Multifunktionale Nanopartikel

Monodisperse anorganische und hybridpolymere Nanopartikel (NP) lassen sich durch das Sol-Gel Verfahren herstellen. Durch Wahl ihrer Zusammensetzung, Partikelgröße und Nanostruktur werden ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften gezielt gesteuert. So können lumineszierende hybridpolymere Nanopartikel über einen modifizierten Stöber-Prozess erhalten und durch konventionelle Farbstoffe markiert werden. Diese Materialien zeichnen sich sowohl durch geringe Auslaugung der Chromophore als auch niedrige Bleichungsneigung aus. Neben den Hybridpolymeren lassen sich auch rein anorganische Nanopartikel mit Durchmessern zwischen 5 nm und 800 nm synthetisieren. Auf Basis biokompatibler Zusammensetzungen werden entsprechend lumineszierende Kern-Schale Partikel erzeugt.

Nach ihrer Herstellung wird die Oberfläche der Nanopartikel durch konventionelle Verfahren wie Silanisierung, Ligandenaustausch oder Beschichtung funktionalisiert. Hierbei werden die Länge der Oberflächenmoleküle und deren chemische Funktionalität gezielt auf die geplante Anwendung abgestimmt. Die Oberflächenbedeckung an chemischen Gruppen wird qualitativ und quantitativ analysiert. Solche Nanopartikel können dann kovalent in verschiedene Matrices oder auf diverse Oberflächen gebunden werden. Für eine biologische oder medizinische Diagnostik handelt es sich dabei um Antikörper, Peptide oder Nukleotide, mit denen die Nanopartikel mit Standardreaktionen verknüpft werden. Biologische Tests belegen den Erhalt der Funktionalität der so verankerten Biomoleküle.

Link: http://www.isc.fraunhofer.de/dienstleistungen/nano-partikelentwicklung/

Bild: Nanopartikel (oben) und lumineszierende Dispersionen funktionalisierter Nanopartikel (unten).

 

 

Nanopartikel  (oben) und lumineszierende Dispersionen funktionalisierter Nanopartikel (unten)

Verkapselung

Durch Sprühtrocknung nanoskaliger SiO2-Dispersionen lassen sich Hohlkugeln und poröse Partikel herstellen, aus denen infiltrierte Wirkstoffe kontrolliert freigesetzt werden können.

https://www.isc.fraunhofer.de/content/dam/isc/de/documents/
Publikationen/Neuartiges_schonendes_Verkapselungsverfahren.pdf

Bild: Sprühgetrocknete SiO2-Nanokapseln.

 

 

Sprühgetrocknete SiO2-Nanokapseln

Barriereschichten

Barriereschichten für Folien, Verpackungen und technische Anwendungen werden täglich eingesetzt und sind z. B. aus Lebensmittelindustrie, Pharma, Kosmetik oder auch bei technischen Anwendungen nicht mehr wegzudenken.
Das Fraunhofer Institut für Silicatforschung ISC hat deswegen seine Kompetenzen im Bereich Barriereschichten gebündelt, um seinen Kunden ein breites Spektrum an Barrierematerialien von hochwertigen technischen Barrierefolien bis hin zu Ultrabarriereschichten aus einer Hand anbieten zu können.
Zusammen mit unseren Kunden und Partnern entwickeln wir innovative Barrierekonzepte und optimieren Materialien. Darüber hinaus beraten und begleiten wir unsere Projektpartner bis zur industriellen Umsetzung.
Gemeinsam entstehen im konstruktiven Austausch neue Ideen, die wir mit unserem Know-how und den gesamten Kompetenzen im Fraunhofer ISC sowie im Rückgriff auf die weiteren Institute der Fraunhofer Gesellschaft, insbesondere die Fraunhofer Allianz POLO®, unterstützen und in neue Projekte / Produkte überführen.

Link: http://www.isc.fraunhofer.de/arbeitsgebiete/barriere-und-multifunktionsschichten/barriere-und-multifunktionsschichten/

Bild: Barrierefolien zum Verpacken empfindlicher Produkte.

 

 

Barrierefolien zum Verpacken empfindlicher Produkte

Kratz- und abriebfeste Schichten

Mit der Verwendung von ORMOCER®en auf der Basis von anorganisch-organischen Hybridpolymeren gelang die erfolgreiche Materialentwicklung kratzfester Beschichtungssysteme für unterschiedliche Substratmaterialien.

 

Bild: Halbseitig mit ORMOCER® kratzfest beschichtetes Polymersubstrat (links).

 

 

Halbseitig mit ORMOCER® kratzfest beschichtetes Polymersubstrat (links)

Antihaftschichten

Bei ORMOCER®en besteht die Möglichkeit, über den Einbau von funktionellen Gruppen in das Silicatgrundgerüst hydrophobe/oleophobe Eigenschaften auf unterschiedliche Substrate zu übertragen und dauerhaft zu erhalten. Die sehr gute Kratz- und Abriebfestigkeit bleibt meist bestehen.
Der Einbau von perfluorierten Silanverbindungen erzeugt antiadhäsiv wirkende oleophobe Schichten, die nicht nur wasser-, sondern auch öl- und fettabweisend sind und somit eine verbesserte Schutzwirkung gegen unterschiedlichste Medien besitzen. Die erzielten Oberflächeneigenschaften bewirken außerdem ein vermindertes Anhaften von Schmutzpartikeln, als Folge davon kann die Oberfläche auch leichter gereinigt werden.
Spezielle ORMOCER®-Schichten verringern die Benetzung und Haftfähigkeit konventioneller Sprühfarben auf dem jeweiligen Untergrund und helfen somit, Oberflächen vor Graffiti zu schützen bzw. erleichtern die Reinigung.

Bild: Hydrophober ORMOCER®-Film (links) im Vergleich zu unbeschichteten Substrat (rechts).

 

 

Hydrophober  ORMOCER®-Film (links) im Vergleich zu unbeschichteten Substrat  (rechts)

Weitere Informationen zu Schichten und Lacken finden sich unter
https://www.isc.fraunhofer.de/de/arbeitsgebiete/materialien/schichten-und-lacke.html.

 

Anorganische und Hybridmaterialien finden sich in vielfältigen Anwendungen im Bereich der Dentalmedizin

  • Funktionalisierte sowie (bio-)aktive Materialien für die Zahnerhaltung (Restauration, Prophylaxe, Regeneration) und den Zahnersatz
  • Anwendungsadaptierte Werkstoffe ohne dentale Monomere, (Nanohybrid-) Komposite, Glasionomerzemente
  • Adhäsive (self oder total etch)
  • Werkstoffe für direkte und indirekte Restauration (Füllung, Krone etc.)
  • Applikationsbezogene chemisch und physikalische Charakterisierung
  • Strukturierungs- und Formgebungsverfahren (u. a. 3D-Druck, CAD/CAM)
  • Füllstoffsynthese
  • Dentale Restauration- und Prophylaxematerialien: Basierend auf den dentalen ORMOCER®en ist das Füllungskomposit ceram.x®, das Restaurations- und Prophylaxesystem Admira® sowie die Neuentwicklungen Admira® Fusion, Admir® Fusion x-tra und Admira® Fusion x-base auf dem Markt erhältlich

https://www.isc.fraunhofer.de/de/arbeitsgebiete/anwendungen/dentalmedizin.html

 

Optik

Mikrooptische Bauteile, wie Linsen, Gitter, photonische Kristalle oder diffraktive optische Elemente, werden in der Optoelektronik und in der optischen Industrie vermehrt in Umgebungen eingesetzt, die eine hohe Alterungsstabilität voraussetzen. Herstellungskosten und Materialverbrauch müssen sowohl bei hohen Stückzahlen als auch bei hochspeziellen Bauteilen reduziert werden. Die anorganisch-organischen Hybridpolymere weisen – verglichen mit rein polymeren Werkstoffen – hervorragende optische Eigenschaften auf und haben durch ihre chemische Struktur und aufgrund ihrer vielfältigen Verarbeitungsmöglichkeiten das Potenzial, auf die jeweiligen Anforderungen angepasst zu werden. Neben anderen Strukturierungsverfahren erlauben insbesondere die Nanoimprint-Lithographie und die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) auch komplexe dreidimensionale Formgebungen. Die Materialien sind zudem kompatibel zu mikroelektronischen und halbleiterüblichen Produktionsprozessen.

https://www.isc.fraunhofer.de/de/arbeitsgebiete/anwendungen/optik.html

 

Elektronik

In der Mikroelektronik kommt den verwendeten Materialien und ihren Strukturierungseigenschaften eine wesentliche Rolle zu, um leistungsfähige Bauteile zu realisieren und technische Fortschritte vorzubereiten. Anorganisch-organische Hybridpolymere können lithographisch direkt strukturiert und chemisch als Negativresist oder als Positivresist formuliert werden. Um die Miniaturisierung von Chips weiter voranzutreiben, werden von der Halbleiterindustrie neue (lithographische) Strukturierungsverfahren entwickelt, die entsprechend neuartige Resistmaterialien benötigen. Diese Resistmaterialien müssen geeignet sein, Strukturen im Nanometerbereich zu bilden. Sie benötigen eine hohe Sensitivität gegenüber der verwendeten Strahlung und sollten in ihren Ätzeigenschaften anpassbar sein. Das Fraunhofer ISC hat im Bereich der Entwicklung elektronischer Materialien folgende Schwerpunkte:

  • Gedruckte Elektronik
  • Resistentwicklung
  • Materialien für Smart Systems
  • Transparente Elektronik
  • Schutzlacke

https://www.isc.fraunhofer.de/de/arbeitsgebiete/anwendungen/elektronik.html


Elektrochemische Anwendungen von Sol-Gel-Materialien (anorganisch und hybrid) als Ionenleiter, nanoskalige Anoden und Kathodenmaterialien, Binder etc. finden sich unter

https://www.isc.fraunhofer.de/de/arbeitsgebiete/materialien/batteriematerialien.html

 

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