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Die Basis: Carbon Nanomembranen

Die Basis unserer Technologie stellt eine kohlenstoffbasierte, molekular dünne Nanomembran dar. Eine Carbon Nanomembran (CNM) ist vergleichbar zu einer Haushaltsplastikfolie, allerdings 10.000-mal dünner. Wie eine Haushaltsplastikfolie über einer Salatschüssel, kann man auch eine CNM über Öffnungen spannen. Das Bild zeigt eine freitragende CNM, die auf ein Netz mit hexagonalen Öffnungen mit der Weite von etwa 50 µm (also etwa 10.000-mal kleiner als die Öffnung der Salatschüssel) aufgebracht wurde. Die CNM ist aber nicht nur in der Fläche entsprechend kleiner, sondern auch in der Dicke. Ansonsten verhalten sich beide Folien ähnlich. Sie sind unter einer leichten Spannung und werfen, wenn nicht perfekt glattgezogen, ähnliche Falten.

CNMs werden durch bestrahlungs-induzierte Quervernetzung von selbst-aggregierten Monolagen von Molekülen auf einem geeigneten Startsubstrat hergestellt. Die Dicke der Membran, ihre Permeabilitätseigenschaften sowie eine Vielfalt anderer Eigenschaften können wir dabei durch die Auswahl geeigneter Molekül- und Substratkombinationen sowie durch den Herstellprozess in weiten Grenzen beeinflussen. Moleküle mit einer eher stabähnlichen Form ergeben dabei die höchste Packungsdichte und in der Folge die geringste Durchlässigkeit. Moleküle, die eher dreidimensionale Form haben, ergeben weniger dicht gepackte Monolagen und eine höhere Durchlässigkeit. Eine mehrlagige Anordnung der Moleküle ist prinzipiell unmöglich: die Ausgangsmoleküle weisen an einem Ende eine funktionale Gruppe auf, die mit passenden Partner auf der Oberfläche des Startsubstrates eine chemische Bindung eingehen. Am anderen Ende des Moleküls fehlt diese funktionale Gruppe, so dass ein Molekül nur auf dem Substrat, nicht aber auf dem freien Ende eines anderen Moleküls anbinden kann. Sollten sich während der Abscheidung doch Moleküle physisch (nicht chemisch gebunden!) auf der eigentlichen Monolage anlagern, so werden diese in einem anschließenden Spülprozess einfach entfernt, so dass eine reine Monolage die Basis für alle weiteren Prozessschritte darstellt.

Nach der Erzeugung der selbstaggregierenden Monolage muss eine Vernetzung der einzelnen Moleküle mit den Nachbarmolekülen erreicht werden. Diese Quervernetzung bewirken wir durch das Strahlungs-induzierte einzelner Bindungen innerhalb der Ausgangsmoleküle. Geschieht das Öffnen zweier räumlich nah beieinander liegender Bindungen von benachbarten Molekülen innerhalb eines kurzen Zeitfensters, so verbinden sich die beiden offenen Bindungen anstatt sich einfach wieder zu schließen und in ihren Ausgangszustand zurückzukehren. Dieser statistische Prozess verwandelt die Monolage, die ursprünglich noch keinen inneren Zusammenhalt hatte, in ein stabiles zwei-dimensionales Gebilde, wobei die Dicke der Membran im Vergleich zu ihrer horizontalen Ausdehnung verschwindend gering ist.

Im letzten Prozessschritt wird in Abhängigkeit von der Anwendung die Carbon Nanomembran vom Startsubstrate abgelöst und auf eine Trägerstruktur transferiert. Der Träger dient hauptsächlich zur Unterstützung für die 1 nm dünne CNM, die allein kaum zu handhaben wäre und ohne Unterstützung sofort reißen würde. Auf einer mechanisch stabilen und ausreichend durchlässigen Trägerstruktur mit hinreichend kleinen offenen Flächen übertragen, kann eine CNM Druckunterschiede von mehr als 10 bar aushalten.