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Nanozeolithe

Aktuelle Entwicklungen bei nanoporösen Materialien

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Solche „photonischen Antennen“ wären ideale Voraussetzungen zur Herstellung leistungsfähigerer Solarzellen und Fluoreszenzkonzentratoren, energetisch optimierter, lichtemittierender Dioden (LEDs) oder auch von neuartigen Lasern [11]. Im Vordergrund der Forschung steht die effektive Nutzung des Sonnenlichts sowie der optimierte Energietransfer und Energieerhalt während des Transports ins Reaktionszentrum.

Aufgrund ihrer Struktur stellen Nanozeolithe ideale Wirtsmaterialien dar [12]. Eine besondere Rolle spielen die inneren Kanäle und Hohlräume, die die Einlagerung von Molekülen und Ionen (Host-Guest -System) ermöglichen. Farbstoffmoleküle als Gastmaterialen bilden zusammen mit dem optisch transparenten Zeolithgerüst Lichtantennen, die ähnlich wie beim natürlichen Vorbild die absorbierte Energie zu einem bestimmten Ort weiterleiten.

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Energieübertragung ohne Strahlungsverluste

Werden die Farbmittel richtig gewählt, kann die Energieübertragung ohne Strahlungsverluste ablaufen. Der Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) ist ein 1946 von Theodor Förster entdeckter Prozess (auch als „Förster-Transfer“ bekannt), bei dem die Energie eines angeregten Fluoreszenzfarbstoffs (Donor-Chromophor) strahlungsfrei über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen auf einen zweiten Fluoreszenzfarbstoff (Akzeptor-Chromophor) übertragen werden [12]. Bei der Rückkehr vom angeregten in den Grundzustand wird entweder ein Photon mit einer bestimmten Energiemenge frei oder die Energie wird wiederum per FRET weitergereicht. Dieses gesammelte Wissen über Lichtantennen versucht man mithilfe nanoporöser Zeolithe umzusetzen. [13]

Die Öffnungen der Zeolith-Kanäle werden mit einer zweiten Sorte fluoreszierender Moleküle verschlossen und wirken wie ein Pfropf (Abb. 3). Dabei sind die beiden Molekülarten genau aufeinander abgestimmt. Die Pfropfen können die Energiepakete für eine Elektronenanregung zwar entgegen nehmen, aber nicht mehr ins Kristallinnere zurück geben. Die Pfropfen geben demzufolge ihre Energie an den Deckflächen der Kristalle nach außen als rote Fluoreszenz ab, wo sie abgefangen werden kann. Damit gelingt es, Licht im Volumen eines Nanokristalls zu sammeln und Anregungsenergie strahlungslos, ohne wesentliche Energieverluste an die Enden des Zylinders oder umgekehrt von dort zur Mitte zu transportieren.

Die Abstimmbarkeit dieser hoch organisierten Materialien bietet Möglichkeiten zur Untersuchung von elektronischen Energieübertragungsphänomenen und zur Entwicklung neuer photonischer Funktionseinheiten. In Kombination mit der langjährigen Erfahrung, die Clariant auf dem Gebiet der Farbmittel hat, können Wege beschritten werden, die völlig neue Perspektiven auf dem Gebiet der Nanotechnologie eröffnen.

Literatur

[1] Hollemann A. F., Wiberg, E.; Lehrbuch der Anorganischen Chemie; 1995, 101. Auflage von N. Wiberg; de Gruyter Verlag, Berlin, New York.

[2] Scheele, C.W.; Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer; Hrsg. Von W. Ostwald; Verleger: Saarbrücken, VDM, Müller; (Nachdruck 2006)

[3] Mie, G.; Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen; Annalen der Physik; 4. Folge, Band 25, 1908, No.3, S.377ff.

[4] Zsigmondy, R., Thiessen, P.A.; Das kolloide Gold aus: Kolloidforschung in Einzeldarstellung; Akadem. Verlagsges. Leipzig, 1925

[5] http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1925/zsigmondy-lecture.pdf

[6] Feynman, R.; There`s Plenty of Room at the Bottom, American Physical Society; Caltech; Vortrag, 29. Dezember 1959.

[7] Taniguchi, N., On the Basic Concept of “Nano-Technology”, Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering, 1974.

[8] http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/index.html

[9] Innovations- und Technikanalyse – Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt, Herausgeber: Zukünftige Technologien Consulting (ZTC) der VDI Technologiezentrum GmbH im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und Forschung; Erscheinungstermin n.n.

[10] Mohammadi, L.B.; Lichterzeugung und Lasertätigkeit in nanoporösen, farbstoffbeladenen Molekularsiebkompositen, Dissertation, Darmstadt 2005

[11] Calzaferri, G.; Neue Bausteine für die Nutzung von Sonnenenergie; Wilhelm-Ostwald-Festtage; Leipzig 2006.

[12] Förster, T.; Z. Naturforsch., 1949, 4, 321.

[13] Calzaferri,G., Huber, S., Maas, H., Minkowski, C.; Host-Guest Antenna Materials; Angew. Chemie, Int. Ed. 2003, 42, 3732

* Dr. H. J. Metz, Clariant International Ltd., Pigments & Additives Division, New Technologies, 65926 Frankfurt am Main

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