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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein monolithisches, pöroses
Bauteil aus im wesentlichen parallelen Nanoröhren, ein
Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendungen desselben.
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Reaktoren
für die chemische Synthese, die im Mikrometermaßstab
strukturiert sind, bezeichnet man als Mikroreaktoren. Sie werden
in den letzten Jahren verstärkt in der Prozeßentwicklung
und -optimierung eingesetzt und gewinnen immer mehr an industriellem
Interesse. Solche Reaktoren zeichnen sich durch dreidimensionale
Reaktionsräume aus, die ein Behältnis von nur
wenigen Millilitern Volumen und darunter darstellen. Diese Reaktionsräume,
die bislang hauptsächlich über verschiedene Lithographie-
und Ätzmethoden hergestellt werden, besitzen zumeist Kanäle
in der Größenordnung mehrere Mikrometer, durch
die ein Fluid strömt und in denen eine Reaktion stattfindet.
Zahlreiche Reaktionstypen – katalysiert und nicht-katalysiert,
ein- oder mehrphasig – wurden bis heute bereits in Mikroreaktoren
realisiert. Daneben zeigt sich auch für die Mikro-Bioverfahrenstechnik
unter Verwendung von Mikroorganismen und Zellen als Biokatalysatoren
ein enormes Potential.
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Das
Verhältnis von Oberfläche zu Volumen stellt dabei
einen Schlüsselparameter dar und besitzt bei herkömmlichen
Industriereaktoren eine Größenordnung von etwa
1.000 m2/m3, bei
mikrostrukturierten Reaktoren ist eine Steigerung auf einen Bereich von
10.000 bis 50.000 m2/m3 möglich.
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Auch
sind im Stand der Technik Mikroreaktoren bekannt, in deren Kanälen
Nanoröhren erzeugt werden. Diese Nanoröhren sind
typischerweise im Bereich zwischen etwa 10–200 nm im Durchmesser. Sie
bieten den Vorteil der Erhöhung der inneren Oberfläche
des Reaktionsraumes, um darin Katalysatorpartikel aufzubringen und
eine bessere Wärmezu- und -abfuhr zu ermöglichen,
bei gleichzeitig gesteigertem Massentransfer. Jedoch konnte diese
bislang nicht sehr parallel zueinander ausgerichtet werden, weisen
variierende Längen im Durchmesser auf und besitzen materialseitige
Unterschiede zum Reaktormaterial, was für die Einsatzzwecke
solcher Mikroreaktoren nachteilig sein kann.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein monolithisches,
pöroses Bauteil bereitzustellen, das die Nachteile des
Standes der Technik überwindet und insbesondere als Nanoreaktor
sowie für weitere Verwendungsmöglichkeiten einsetzbar
ist. Insbesondere soll das Verhältnis von Oberfläche
zu Volumen deutlich erhöht werden. Darüberhinaus
soll es ermöglicht werden, materialseitige Unterschiede
zwischen innerer Oberfläche des Bauteils und der Bauteilhülle
aufzuheben.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Bauteils bereitzustellen und Verwendungsmöglichkeiten
aufzuzeigen.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen
eines monolithischen, pörosen Bauteils aus im wesentlichen
parallelen Nanoröhren mit einem Durchmesser im Bereich
von 1 bis 1000 nm, welches die Schritte umfaßt: (i) Bereitstellen
eines im wesentlichen parallele Poren aufweisenden Templat-Materials;
(ii) Abscheiden zumindest eines Feststoffs in den Poren zur Ausbildung
von Röhren und zumindest auf im wesentlichen senkrecht
zu den Poren angeordneten Außenoberflächen des
Templats zur Ausbildung von Deckschichten, wobei der Feststoff aus
einem atomaren/molekularen Vorläufer erzeugt wird; (iii)
optional Formgebung des in Schritt (ii) beschichteten Templats auf
eine vorgegebene Form und Größe; und (iv) Entfernen
des Templats.
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Ferner
ist vorgesehen, daß das Entfernen des Templats durch Ätzen
mit Basen oder Säuren, bevorzugt Flußsäure,
durchgeführt wird.
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Es
ist bevorzugt, daß das Templat-Material ausgewählt
wird aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Silizium, Siliziumdioxid und
Verbindungshalbleitern der Gruppe 12/16 des Periodensystems, wie
CdS, CdSe und CdTe.
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Bevorzugter
ist vorgesehen, daß der abzuscheidende Feststoff ausgewählt
wird aus Kohlenstoff, Metallen, Elementen der Gruppen 13–16
des Periodensystems, Polymeren sowie Kombinationen der genannten
Stoffe, optional unter Zugabe von Wasserstoff. Kombinationen mit
Wasserstoff ermöglichen Kohlenwasserstoffe und Polymer.
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Ebenso
ist bevorzugt, daß der Feststoff aus der Gasphase oder
kondensierten Phase abgeschieden wird.
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In
einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß das
Abscheiden durch chemische Dampfabscheidung (CVD), Metallverdampfung, über
Polymere, Sol-Gel-Verfahren oder elektrochemische Abscheidung erfolgt.
Die Abscheidung über Sol-Gel-Verfahren oder Polymere wurde
bereits vielfach beschrieben und sollte dem Fachmann daher gut bekannt
sein, siehe beispielsweise C. J. Brinker und G. W. Scherer, „Sol-Gel
Science – The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing",
Academic Press, New York, 1990; Lu & Schüth, „Nanocasting: A
Versatile Strategy for Creating Nanostructured porous Materials"
Adv. Matr. 2006, 18, 1793-1805. Eine elektrochemische Abscheidung
wird beispielsweise von C. Martin, Chem. Mater 1996, 8,
1739-1746 beschrieben.
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Ferner
kann vorgesehen sein, daß als Deckschichten und in den
Poren gleichartige oder unterschiedliche Feststoffe abgeschieden
werden. Im Grunde ist es wichtig, daß Deckschichten und
Porenfüllungen in einem Arbeitsschritt abgeschieden werden.
Anschließend ist es möglich, die Deckschichten weiter
aufzubauen (z. B. für eine Kontaktierung oder Stabilisierung
des Bauteils) oder die Poren zu füllen (z. B. zur Stabilisierung).
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Außerdem
ist bevorzugt, daß eine die abzuscheidenden Feststoffe
tragende Strömung im wesentlichen parallel zur Längsachse
der Poren des Templats ist. Die parallele Strömung ist
insbesondere für Abscheidungsverfahren aus der Gasphase
(wie z. B. CVD-Verfahren) wichtig, jedoch von weniger Bedeutung
für Abscheidungen aus der Flüssigphase (wie z.
B. Sol-Gel-Verfahren) oder eine elektrochemische Abscheidung.
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In
einer Ausführungsform ist bevorzugt, daß das Templat
in Schritt (ii) erwärmt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur
von 700 bis 1000°C.
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Ferner
wird vorgeschlagen, daß Deckschichten und Nanoröhren
in einem Arbeitsschritt erzeugt werden.
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Schließlich
kann vorgesehen sein, daß mehrere Außenoberflächen
des Templats zur Ausbildung einer Deckschichthülle mit
zumindest einem Feststoff beschichtet werden. Die Beschichtung der
Außenflächen kann ebenfalls variabel gestaltet
werden. Zum Beispiel kann die Beschichtung von zwei gegenüberliegenden
Seitenflächen sinnvoll sein. Die Beschichtung sämtlicher
Außenoberflächen würde den Reaktionsraums
abschließen.
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Erfindungsgemäß ist
auch ein monolithisches, pöroses Bauteil, das nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
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Das
Entfernen des Templats wird bevorzugt durch Ätzen mit Säure
durchgeführt. Das Ätzen wird üblicherweise
mit Hilfe von Flußsäure (HF) durchgeführt.
Es könnten jedoch auch andere Mineralsäuren, z.
B. Phosphorsäure, eingesetzt werden. Darüber hinaus
können unter Umständen auch Basen, wie KOH oder
NaOH, verwendet werden.
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Es
ist bevorzugt, daß das Innere der Röhren zur Außenoberfläche
hin offen ist.
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Vorgeschlagen
wird auch, daß die Röhren des Bauteils gefüllt
sind, vorzugsweise mit einem kompakten oder anderen porösen
Material.
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Auch
kann vorgesehen sein, daß das Innere der Röhren
vollständig gefüllt ist. Dadurch ist es möglich,
in den Poren Stäbe zu erzeugen, deren Füllmaterial
ebenfalls porös sein kann. Vorgeschlagen wird deshalb auch,
daß die Poren des Bauteils, vorzugsweise mit einem kompakten
oder anderen porösen Material gefüllt sind.
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Bevorzugt
weist das Bauteil ein Verhältnis von Oberfläche
zu Volumen von 50.000–100.000.000 m2/m3, bevorzugt 500.000 bis 10.000.000 m2/m3 auf.
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Besonders
bevorzugt ist, daß es aus Kohlenstoff aufgebaut ist.
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Röhren
und Deckschichten können aus gleichartigen oder unterschiedlichen
Materialien aufgebaut sein.
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Auch
wird vorgeschlagen, daß die gesamte Außenoberfläche
mit der Deckschicht versehen ist. In sich daran anschließenden
Arbeitsschritten kann die Außenoberfläche in definierten
Bereichen gezielt wieder entfernt werden.
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Vorteilhaft
weist das monolithische, poröse Bauteil eine Länge
und/oder Breite von 0,1 mm bis 5 cm und eine Dicke von 1 μm
bis 1 mm auf.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil kann Substanzen aufnehmen
oder von diesen durchströmt werden. Das erfindungsgemäße
Bauteil kann daher als Strömungs- oder Reaktionsraum verwendet
werden, wobei abgeschiedene Deckflächen die Strömung
räumlich begrenzen. Daher ist besonders bevorzugt ein kontinuierlicher
oder diskontinuierlicher Betrieb des erfindungsgemäßen
Bauteils möglich.
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Bevorzugt
kann die Verwendung als Nanoreaktor, Sensor, Wärmetauscher
oder eine Kombination derselben vorgesehen sein. Es soll hervorgehoben
werden, daß bei Verwendung des erfindungsgemäßen
Bauteils der zuvor mit Templat gefüllte Raum und nicht
das Innere der Nanoröhrchen durchströmt wird.
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Bei
Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils wird
eine Strömungsführung ermöglicht, bei der
die Strömung senkrecht zu den Röhrenachsen des
Bauteils verläuft und die individuellen Röhren des
Bauteils außen umströmt. Durch die erzeugten Deckschichten
kann die Strömung auch räumlich begrenzt werden.
Besonders bevorzugt kann die Verwendung als Bauteil mit System-
und Integrationsbezug vorgesehen werden, um eine Schnittstelle zwischen
typischen Abmessungen der Nanotechnik und denen der Mikrostrukturtechnik
zu schaffen.
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Überraschenderweise
wurden für das erfindungsgemäße Bauteil
die folgenden Vorteile und Besonderheiten aufgefunden. Die Struktur
des Bauteils weist einen hohen Ordnungsgrad auf, da die Nanoröhren
durch das Templat sehr gerade hergestellt werden können.
Ferner weisen die Nanoröhren eine definierte Länge
auf, da die Länge der Nanoröhren über
die Dicke des Templats festgelegt wird und gleichmäßig
ist. Der Außendurchmesser der im Bauteil hergestellten
Nanoröhren entspricht dem Porendurchmesser des Templats,
der Innendurchmesser der Röhren kann über die
Abscheidungszeit leicht variiert werden, so daß definierte
Durchmesser und Wanddicken einstellbar sind. Ebenfalls ist das sogenannte
Aspektverhältnis, d. h. das Verhältnis von Länge
zu Durchmesser, sehr gut einstellbar. Besonders hervorzuheben ist,
daß mit dem erfindungsgemäßen Bauteil
ein skalenübergreifender Nano-Mikro-Makro-Übergang
erreicht und gewährleistet werden kann aus im wesentlichen
makroskopisch angeordneten parallelen Nanoröhren. Besonders
bevorzugt kann eine Verwendung des Bauteils mit System- und Integrationsbezug
vorgesehen werden, um eine Schnittstellt zwischen Nanotechnik und
Mikrostrukturtechnik zu schaffen. Dies kann insbesondere in Form
eines Sensors, Wärmetasuchers, chemischen Reaktors oder
einer Kombination derselben vorgesehen sein.
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Die
Nanoröhren enden in einer zumindest oberen und unteren
Deckschicht, die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse
der Röhren verlaufen. Dies ermöglicht eine dreidimensionale
Anordnung der Röhren, hält die Röhren
zusammen und bietet auch eine Kontaktierungsmöglichkeit
durch die beiden Deckschichten. Weiterhin können die Röhren durch
Bereitstellung der Deckschichten gut gehandhabt und eine Strömung
innerhalb des Bauteils durch die Deckschichten begrenzt werden.
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Bei
Verwendung von Kohlenstoff als auf dem Templat abzuscheidenden Feststoff
ist der Grad der Graphitisierung des Kohlenstoffs über
die Temperaturführung während des Abscheidens
einstellbar, wodurch eine zusätzliche spätere
Funktionalisierung der gebildeten Röhren gesteuert werden
kann. Weiterhin kann der Grad der Graphitisierung auch nach dem
Abscheiden durch Temperaturbehandlung verändert werden.
Die Anordnung der Röhren und die Abstände derselben
sind über die Gestalt des Templats, insbesondere dessen
Porosität, einstellbar.
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Ferner
treten keine Verunreinigungen durch Katalysatorpartikel in den abgeschiedenen
Röhren auf, wenn diese durch nicht-katalytische Abscheidungsverfahren
aus der Gasphase hergestellt werden.
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Die
Röhren können beidseitig offen hergestellt werden,
so daß der Innenraum der Röhren nach der Herstellung
des Bauteils zugänglich ist. Auch können Röhren
und Deckschichten aus demselben Material oder aus unterschiedlichen
Materialien hergestellt werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Bauteils
ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung,
in der
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1.1–1.3 Schnittansichten
eines porösen Templats bzw. des erfindungsgemäßen
Bauteils während des Herstellungsverfahrens zeigen;
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2.1–2.2 weitere
Schnittansichten durch ein poröses Templat und erfindungsgemäße Bauteile
zeigen; und
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3 eine
rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen
Bauteils zeigt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Reaktor
wie folgt durchgeführt werden:
Es wird ein Reaktor
mit einem Reaktorkopf eingesetzt, welcher Reaktorkopf aus zwei ineinander
geschraubten Kohlenstoffteilen besteht, die über Induktion
geheizt werden können. Über ein Metallrohr tritt ein
Zuführungsgas (Trägergas und Gas enthaltend die
zur Abscheidung vorgesehenen Feststoffe) in den Reaktorkopf ein.
Im Reaktorkopf befindet sich eine scheibenförmige Membran
aus Aluminiumoxid, die als Templat für die Herstellung
des erfindungsgemäßen Bauteils dient. Die Scheibe
ist so angeordnet, daß die Gasströmung im wesentlichen
senkrecht auf die flache Scheibenoberfläche auftrifft.
Bei einer Temperatur von 700–1000°C werden als
Zuführungsgas 10–20 sccm Propylen und 10–20
sccm (sccm = Standardkubikzentimeter pro Minute) Argon durch das
Metallrohr in den Reaktorkopf geleitet. Dabei führen die
hohen Temperaturen zu einer Fragmentierung des die abzuscheidenden
Stoffe enthaltenden Gases und begünstigen die Bildung eines
Feststoffs auf der Oberfläche und in den Poren der Scheibe, wobei
sich im vorliegenden Fall Kohlenstoff auf dem Templat abscheidet. Überschüssige
Gasspezies werden über eine Pumpe abgesaugt.
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Der
Reaktor weist die Besonderheit auf, daß, wie schon ausgeführt,
die Strömung senkrecht zur Membranoberfläche verläuft,
die Strömung also in derselben Richtung geführt
wird, wie die Längsachse der Poren des Templats. Ferner
treten hohe Temperaturen nur lokal auf, da die Membran direkt auf
den beheizten Kohlenstoffelementen des Reaktorkopfs aufliegt. Zeitlich
unterschiedliche Temperaturverläufe sind durch die verwendete
Induktionsheizung darstellbar. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauteils ist es möglich, daß die
gesamte Oberfläche des Bauteils mit einer Deckschicht versehen
ist. Dabei können im Herstellungsverfahren zunächst
die oberen und unteren Deckschichten und in einem weiteren Arbeitsschritt die
seitlichen Deckschichten aufgebracht werden. Ferner können
die Materialien der oberen, unteren und seitlichen Deckschichten
verschieden sein.
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Bevorzugt
wird als Templat poröses Aluminiumoxid verwendet, das sich
durch seine zylinderförmigen Poren mit einer engen Porenverteilung
auszeichnet. Außerdem ist es bei Aluminiumoxid günstig,
daß die parallel verlaufenden Poren in Ebenen enden, die
senkrecht zur Porenachse sind. Dadurch ergeben sich zwei parallele
Ebenen, die senkrecht auf den Porenachsen und dadurch auch auf den
erzeugten Röhrenachsen liegen. Durch Wahl der Syntheseparameter
kann die Porengröße und Dicke des Aluminiumoxids
in weiten Bereichen variiert und somit die Gestalt der Zielstruktur
eingestellt werden.
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Vor
oder nach dem Abscheiden des Feststoffs auf dem Templat kann dieses
durch geeignete Mittel (z. B. Laser- oder Plasmaverfahren) in eine
gewünschte Größe und Form gebracht werden.
Anschließend können weitere Feststoffe auf das
in die gewünschte Form gebrachte Templat aufgebracht werden.
Anschließend wird das ursprüngliche Templat zugänglich
gemacht, indem an mindestens einer Stelle die abgeschiedenen Feststoffe
entfernt werden und das Templat über diese Öffnung
entfernt wird, was beispielsweise durch Ätzen mit Säure
oder Lauge erreicht werden kann.
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Die
bereitgestellte(n) Öffnung(en) kann bzw. können
später zum Ein- bzw. Ausführen der Substanzen
dienen, die das erfindungsgemäße Bauteil aufnehmen
soll oder von denen das erfindungsgemäße Bauteil
durchströmt werden soll.
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Alternativ
kann das Templat bereits vor Abscheidung des Feststoffs durch geeignete
Mittel in eine gewünschte Größe und Form
gebracht werden und der Feststoff anschließend abgeschieden
werden. Anschließend muß die abgeschiedene Deckschicht
auch an mindestens einer Stelle entfernt werden, um das ursprüngliche
Templat zugänglich zu machen und entfernen zu können.
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Schließlich
kann die äußere Oberfläche der erzeugten
Röhren weitergehend funktionalisiert werden (z. B. Beschichtung
mit Katalysatoren), um Reaktionen von Molekülen oder zu
untersuchenden Spezies, die das Bauteil durchströmen sollen,
mit der höheren Oberfläche zu begünstigen.
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1.1 zeigt eine Schnittansicht durch ein poröses
Templat 1, das eine Vielzahl durchgängiger Poren 2 aufweist.
In 1.2 wurde das poröse Templat 1 mit
einer Deckschicht 3 beschichtet, während in 1.3 das poröse Templat 1 durch Ätzen
entfernt worden ist. Die einzelnen Röhren sind über
eine Deckschicht verbunden.
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2.1 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht,
ausgehend von einem porösen Templat 1 mit durchgängigen
Poren 2. 2.2 zeigt auf der linken Seite
parallele Röhren, die durch eine obere Deckschicht 4 und
eine untere Deckschicht 5 miteinander verbunden und zur
Außenoberfläche hin geschlossen sind. In einer
alternativen, rechts gezeigten Ausführungsform ist es möglich,
daß die Poren des Templats durch abgeschiedenen Feststoff 6 komplett
ausgefüllt sind.
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Schließlich
zeigt 3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
eines erfindungsgemäßen Bauteils, aus der obere
und untere Deckschichten sowie dazwischen angeordnete, im wesentlichen
parallele Röhren klar zu erkennen sind.
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Zur
Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteile ist
es möglich, mehrere solche Bauteile hintereinander zu schalten.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil kann beispielsweise als
nanostrukturierter Mikroreaktor verwendet werden, wobei Eduktspezies
zum Ziel einer chemischen Reaktion in das Bauteil eingeführt
werden können, wie es vergleichbar in einem bekannten Mikroreaktor
realisiert ist. Besonders geeignet sind solche nanostrukturierten
Mikroreaktoren bei Reaktionen mit hohem Gefährdungspotential,
beispielsweise stark exotherm reagierenden oder sehr toxischen Substanzen,
zur Optimierung von Anlagen, die bereits in Betrieb sind oder für
Screening-Funktionen, beispielsweise für Katalysatoren
oder in der Pharmaindustrie.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil kann beispielsweise als
Nano-Mikrostruktur integrierter Reaktor verwendet werden, wobei
eine oder mehrere Eduktspezies in das Bauteil eingeführt
werden, zum Ziel einer Reaktion dieser Spezies untereinander, an der
Oberfläche der (unter Umständen funktionalisierten)
Röhren oder einer Kombination derselben. Ein integriertes
Reaktionsmonitoring von Mikroreaktoren erfolgt üblicherweise
mittels UV/VIS, IR, NMR, MS und LC/MS.
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Darüberhinaus
bietet das erfindungsgemäße Bauteil eine Beobachtung
der im Bauteil ablaufenden Prozesse an, in dem eine Kontaktierung
der oberen und unteren Deckschicht gleichzeitig durchgeführt wird.
Dabei müssen die seitlichen Deckschichten entfernt sein
oder aus unterschiedlichen Materialien verglichen zu den kontaktierten
Deckschichten bestehen. Eine Messung der ablaufenden Prozesse erfolgt dann
ausschließlich über die Röhren des Bauteils hinweg,
z. B. durch eine zeitlich aufgelöste Betrachtung des elektrischen
Widerstands/Leitwerts.
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Besonders
geeignet sind solche voll integrierten nano-mikrostrukturierten
Reaktoren bei Reaktionen mit hohem Gefährungspotential,
beispielsweise exothermem Reaktionsverlauf oder auch der Handhabung
sehr toxischer Substanzen.
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Durch
einen hohen Wärmeübergang ergibt sich die Möglichkeit
einer schnellen Zu- und Abführung von Wärme in
den Reaktor und aus dem Reaktor heraus. Die Reaktionen können
somit isotherm gefahren werden, und die Bildung von sogenannten Hot-Spots
und damit das Auftreten von beispielsweise sogenannten Runaway-Reaktionen
kann vermieden werden. Unerwünschte Nebenreaktionen werden
unterdrückt, was häufig eine Steigerung der Selektivität,
Ausbeute und damit Produktqualität zur Folge hat.
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Darüber
hinaus ist das Bauteil auch für einen Einsatz als chemischer
Sensor für Gase oder auch Reaktanten in kondensierter Phase
vorgesehen. Weiterhin für Screening-Funktionen, beispielsweise für
Katalysatoren oder in der Pharmaindustrie oder für das
Detektieren von Biomolekülen, z. B. über das Schlüssel-Schloss-Prinzip
durch auf der Röhrenoberfläche aufgebrachten Moleküle,
die ein bevorzugtes Andocken spezifischer Spezies aus dem Fluidraum
begünstigen.
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Eine
weitere Verwendungsmöglichkeit ist als ein Wärmetauscher.
Das erfindungsgemäße Bauteil kann zur Wärmezu-
und -abfuhr genutzt werden, da der Wärmeübergangskoeffizient
umgekehrt proportional zu den Dimensionen der Struktur des Wärmetauschers
ist.
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Auch
ist die Verwendung zur Extraktion, Rektifikation oder als Mischer
(wenn in dem Bauteil zwei oder mehr Ströme in Gleich- oder
Gegenstrom geführt werden) möglich.
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Schließlich
ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen
Bauteils beispielsweise als Sensor möglich. Dabei kann
das Bauteil als Sensor zu Charakterisierungszwecken verwendet werden.
Eine Notwendigkeit solcher chemischen Sensoren wird unter anderem
für Beobachtungen der Umwelt, für die Kontrolle
von chemischen Prozessen und für landwirtschaftliche und
medizinische Applikationen gefordert.
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Röhren
aus Kohlenstoff zeigen beispielsweise als Sensorelement eine um
Größenordnungen erhöhte Sensitivität
und eine schnellere Systemantwort gegenüber herkömmlichen
Solid-State-Sensoren. Dabei absorbieren die zu untersuchenden Moleküle an
die Kohlenstoffnano röhrenwand und rufen eine starke, molekülspezifische
Veränderung des elektrischen Leitwerts der Kohlenstoffstruktur
hervor, die gemessen werden kann. Das erfindungsgemäße Bauteil
ermöglicht in diesem Zusammenhang insbesondere eine äußerst
präzise Positionierung der Kohlenstoffnanoröhrchen
und eine einfache Kontaktierung der Röhren über
die Deckschichten, was bislang technisch äußert
problematisch war und einen wirtschaftlichen Einsatz solcher Bauteile
bisher in größerem Maße verhindert hat.
Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße
Bauteil jedenfalls überwunden. Durch die Möglichkeit
der zusätzlichen chemischen Funktionalisierung der Kohlenstoffnanoröhrenwände
kann diese Veränderung in weiten Grenzen gezielt beeinflußt
und gesteuert werden.
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Ebenfalls
besteht für die Verwendung des erfindungsgemäßen
Bauteils die Möglichkeit, die oben genannten Verwendungen
zu kombinieren. So kann zum Beispiel eine Reaktion innerhalb des
Bauteils ablaufen und gleichzeitig die Wärme abgeführt
werden. Weiterhin kann eine Reaktion stattfinden und gleichzeitig
charakterisiert werden. Zudem ist eine Parallelschaltung und/oder
Serienschaltung mehrerer Funktionseinheiten möglich.
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Zusammenfassend
zeichnet sich das erfindungsgemäße Bauteil durch
eine besondere Kompaktheit durch seine nano-mikrostrukturierte Bauweise
und damit ebenfalls verbunden einer Möglichkeit einer einfachen,
skalenübergreifenden Systemintegration und deutlich verbesserter
struktureller Eigenschaften durch die besondere Anordnung der Nanoröhren
im Bauteil und deren direkte Verbindung mit der Deckschicht aus.
Dies ermöglicht darüberhinaus verbesserte Eigenschaften
für Handling- und Montagetechniken eines solchen Nano-Mikrostruktur-integrierten
Bauteils.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und in den Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln
als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen
wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - C. J. Brinker
und G. W. Scherer, „Sol-Gel Science – The Physics
and Chemistry of Sol-Gel Processing", Academic Press, New York,
1990 [0012]
- - Lu & Schüth, „Nanocasting:
A Versatile Strategy for Creating Nanostructured porous Materials" Adv.
Matr. 2006, 18, 1793-1805 [0012]
- - C. Martin, Chem. Mater 1996, 8, 1739-1746 [0012]