DE102018106219B4

DE102018106219B4 - Anordnung zur Veränderung von optischen Signalen

Info

Publication number: DE102018106219B4
Application number: DE102018106219.2A
Authority: DE
Inventors: Cordelia Zimmerer; Philipp Zimmermann
Original assignee: Leibniz Institut fuer Polymerforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Polymerforschung Dresden eV
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2020-10-29
Anticipated expiration: 2038-03-17
Also published as: DE102018106219A1

Abstract

Anordnung zur Veränderung von optischen Signalen, mindestens bestehend aus einem Substrat, einem kettenförmigen responsiven Polymer und einem Element, wobei das mindestens eine kettenförmige Polymer an einem Kettenende an das mindestens eine Substrat und an dem anderen Kettenende an das mindestens eine Element gekoppelt ist, und die Kopplung der Polymerkette durch Ausbildung von kovalenten chemischen Bindungen zwischen funktionellen Gruppen am Ende der Polymerkette und funktionellen Gruppen auf der Oberfläche des Elementes und des Substrates realisiert ist, und das Element mindestens zwei im Wesentlichen planparallel zueinander angeordnete Oberflächen aufweist, wobei mindestens teilweise an eine dieser im Wesentlichen planparallelen Oberflächen des Elementes das Kettenende des kettenförmigen Polymers kovalent gekoppelt ist und die andere im Wesentlichen dazu planparallele Oberfläche des Elementes optische Eigenschaften aufweist und/oder optische Signale verarbeitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Polymerchemie und betrifft eine Anordnung zur Veränderung von optischen Signalen, die beispielsweise für die Modulation von Licht in Digital Micromirror Devices (DMD) zur Anwendung kommen kann.
Optische Eigenschaften von Oberflächen spielen für viele technische, medizinische, dekorative und sensorische Anwendungen eine wichtige Rolle. Eine gezielte, steuerbare Anpassung der optischen Eigenschaften im Bauteil erhöht dessen Funktionalität und erweitert das Einsatzspektrum. Anwendungsgebiete finden sich in der Medizin, Analytik und Diagnose, der Automobilentwicklung, Inline-Messsystemen und Qualitätssicherung, Prozessmonitoring, Beleuchtungstechnologie und Solarzellenentwicklung, Bauindustrie, Architektur und der optischen Systementwicklung.
Aus dem Stand der Technik sind Digital Micromirror Devices (DMD) bekannt, die mikroelektromechanisch Spiegel-Elemente, deren Größe im unteren Mikrometerbereich liegt, kippen können. Die Positionsänderung der Spiegel wird über elektrostatische Felder gesteuert (https://www.welt.de/motor/article139919970 [abgerufen am 12.12.2018]).
Weiterhin wird in G. Levy-Yurista, et al: Optics Express Vol. 13 (12), 4645-4650 (2005) ein Modulator-Design vorgestellt, dass polymerbasiert die Resonanz-Wellenlänge von Licht moduliert. Mittels angelegtem äußeren elektrischen Feld wird der Brechungsindex des Materials variiert.
Gemäß der WO 2016116254 A1 wird ein lichtmodulierendes Bauelement beschrieben, in dem in einer Sandwichanordnung bestimme Flüssigkristalle durch ein polymeres Netzwerk stabilisiert und durch zwei Substrate eingeschlossen werden. Die Lichtmodulation erfolgt auf dem üblichen Weg der Ausrichtung von Flüssigkristallen in einem elektrischen Feld, wobei hier Polymere in Verbindung mit den Flüssigkristallen zu besseren Eigenschaften Flüssigkristalldisplays führen. Die Lichtmodulation wird allein durch die Ausrichtung der Flüssigkristalle generiert. Die Polymere wirken als passive und nichtsensorische Elemente. Weiter wird der umgebungsunabhängige Charakter der Anordnung hervorgehoben.
Eine künstliche, molekulare Maschine wird 2015 in einer wissenschaftlichen Publikation (Joshua M. Deutsch and Stephen E. Martin, Macromolecules, 2015, 48 (18), 6703-6712, DOI: 10.1021/acs.macromol.5b01151, Publication Date (Web): September 3, 2015) vorgestellt, die mittels photodissoziierenden Polymerbürsten Licht in mechanische Arbeit umwandelt. Die mechanische Arbeit resultiert aus der planparallelen Bewegung einer Platte relativ zu einer zweiten Platte, die feststeht. Die Maschine funktioniert in der Dimensionalität einzelner Polymermoleküle und deren reversibler Bindung/Ablösung zur beweglichen Platte.
In der Veröffentlichung Y. Zhao, et al: IET Micro & Nano Letters, [10] (10) 10 (2015) wird eine druckempfindliche makroskopische Membran als aktive Komponente eines optischen Sensors genutzt. Durch eine Druckänderung wird die Membran mit optischer Beschichtung unterschiedlich stark deformiert. Die Deformation führt zu einer Intensitätsverschiebung des reflektierten Lichtes. Die mechanische Bewegung durch die Einwirkung von Druck auf die Membran erfolgt passiv durch Änderung der Konformation des Membranmaterials. Die Membran ändert ihre Form insgesamt.
Flüssigkristalline, elastomere Mikrostrukturen, die auf Wärmeeintrag durch einen Laser responsiv reagieren, sind in H. Zeng, et al: Advanced Materials, Volume 27, Issue 26, 3883-3887 (2015) als „microscopic artificial walker“ beschrieben. Es wird keine weitere externe Kraft benötigt, um eine vollständig reversible Vernetzungsreaktion mit den flüssigkristallinen Bestandteilen zu initiieren. Die Vernetzungsreaktion bedingt einen Materialschrumpf, eine Kontraktion. Viele mechanische Kontraktionen führen zu gerichteter Bewegung der Mikrostruktur.
Eine lichtaktivierte Änderung der Barriereeigenschaften von Kapselhüllmaterialien wird von V. Marturano, et al: Polymers 9, 8, (2017) publiziert. Die Materialeigenschaften werden durch photochrome Moleküle, die einer Photo-Isomerisierung unterliegen, beeinflusst.
Zur Erzeugung von Januspartikeln, sogenannter oberflächenmodifizierter oder asymmetrisch oberflächenmodifizierter Formen werden in der wissenschaftlichen Literatur unterschiedliche Verfahren benannt und ausführlich beschrieben. Im klassischen Sinne werden Januspartikel (C. Casagrande, et al: Europhys. Lett.9, 251 (1989); P. G. DeGennes, Rev. Mod. Phys.64, 645 (1992); P. G. DeGennes, Angew. Chem., Int. Ed.31, 842 (1992)) in der Regel als sphärische Partikel mit zwei unterscheidbaren Oberflächenarealen gleicher Größe und unterschiedlichen Eigenschaften definiert.
Ein einfaches Herstellungsverfahren wird von C. Casagrande, et al: Europhys. Lett. 9, 251 (1989); C. Casagrande et al: Acad. Sci., Ser. II, 306, 1423 (1988); V. N. Paunov et al: Adv. Mater. 16, 788-791 (2004); J. R. Howse, et al: Phys. Rev. Lett. 99, 048102 (2007) beschrieben. Dabei wurden Glaskugeln auf einem Templat fixiert und die freiliegenden Seiten der Kugeln in einem PVD Verfahren mit einer Metallschicht bedeckt.
Eine weitere Möglichkeit der nasschemischen Herstellung mit Hilfe einer Pickeringemulsion nutzt die Fixierung von Silica-Partikel in Wachs (L. Hong, et al: Langmuir 22, 9495-9499 (2006); S.U. Pickering, Journal of the Chemical Society, Transactions. 91 (2001)). Anschließend können die Partikel über die wässrige, sowie die ölige Phase modifiziert werden.
Weiterhin ergibt sich nach dem Stand der Technik die Möglichkeit, Januspartikel oder Partikelkolloide mit unterscheidbaren Eigenschaften zu synthetisieren, die dann keine sphärische Gestalt aufweisen müssen. Mit dem elektrohydrodynamischen Verdüsen (K.-H. Roh, et al: Nat. Mater. 4, 759-763 (2005)) ist es möglich, bi- oder triphasische Januspartikel herzustellen, welche aus zwei bzw. drei Bulkkomponenten mit jeweils verschiedenen Eigenschaften bestehen.
Auch durch Photopolymerisationsprozesse oder eine photolithographische Polymerisation in Mikrofluidikbauteilen ist die Herstellung mehrphasiger Partikel möglich. So können hantel-, anker-, halb himbeer- und schneemannförmige Geometrien durch die Synthese von biphasigen Partikeln erzeugt werden. Durch die Selbstorganisation von Triblock-Terpolymeren ist es zudem möglich, weitere Geometrien wie Zylinder und Scheiben herzustellen. Zudem ist ein Verfahren zur Herstellung von plättchenförmigen Januspartikeln, durch die Anbindung verschiedener Polymere an jeweils der Oberseite oder der Unterseite eines Kaolinitplättchens beschrieben (A. Kirillova, et al:, ACS Appl. Mater. Interfaces 6 (15), 13106-13114 (2014); S. Weiss, et al: Polymer [54], (4), 1388-1396 (2013)).
Neben den Januspartikeln existiert der Begriff der „Patchpartikel“, welcher von A. B. Pawar, et al: Macromol. Rapid Commun. 31, 150-168 (2010) näher erläutert wird.
Zu den „Patchpartikeln“ zählen unter anderem bi- und triphasige Januspartikel. Auch hier gibt es eine Vielzahl an Herstellungsverfahren welche teilweise mit den Herstellungsverfahren für Januspartikel übereinstimmen.
Durch die Ausnutzung der Abschattungswirkung der zu modifizierenden Partikel untereinander, können „Patchpartikel“ mit mehreren verschiedenen Oberflächenmodifizierungen, an unterschiedlichen Stellen der Partikeloberflächen, hergestellt werden. Es ist eine modifizierte Variante des Pickeringemulsionsverfahrens bekannt, welche das Aufbringen von zwei Patches auf der Partikeloberfläche ermöglicht.
Responsive Polymermaterialien reagieren auf Änderungen, die auch als Reize oder Stimuli bezeichnet werden, in ihrer Umgebung durch Quellen oder Schrumpfen. Im Allgemeinen werden als Reize Änderungen in Umgebungseigenschaften, wie Temperatur, pH-Wert, Licht, magnetische Felder, elektrische Felder, Lösemittel, Ionen, Enzyme, organische Moleküle und Schall genutzt. Wichtige Vertreter synthetischer responsiver Polymere sind beispielsweise Polyacrylsäure (PAA), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylenoxid (PEO) und Polyglutarsäure (PLG) (Q. M. Zhang, et al: Top Curr Chem 369, 377-424 (2015)).
Anwendungsgebiete für responsive Polymere sind u.a. mechanotransduktive Sensoren und künstliche Muskeln. Für die Sensoren ist ein Silizium-Polymer-Komposit-Material bekannt, bei dem durch den Stimulus des Polymeranteiles eine Deformation des Komposit-Materials genutzt wird.
Eine Übersicht ähnlicher Anwendungen, deren mechanotransduktives Prinzip auf einer Biegung durch Stimulierung eines Mehrkomponentensystems beruht, wird in Q. M. Zhang, et al: Chem. Phys. Chem. 18, 1451-1465 (2017) zusammengefasst und beschrieben.
Als chemo-mechanische Aktuatoren werden Systeme mit gleichem responsiven Prinzip bezeichnet und auf die Formveränderungen von Bilayersystemen, laminierten Filmen und Wellen- oder Faltenbildung erweitert.
Weiterhin ist die Volumenänderung eines Hydrogels in Abhängigkeit vom pH-Wert bekannt. Die Volumenänderung führt zur Veränderung von Kristallebenen-Abständen von kolloidalen, kristallinen Partikel-Arrays. Es ist weiterhin ein Sandwich-Anordnungsprinzip bekannt, bei dem responsive Mikrogelpartikel zwischen zwei Goldschichten vorhanden sind und das mit dem klassischen Fabry-Perot-Etalon-Aufbau verwandt ist. Photonische Gelsensoren ändern bei bestimmten Stimulierungen ihre optischen Eigenschaften, da sie aus Block-co-Polymeren aufgebaut sind, wobei ein Anteil des Block-co-Polymers eine chemische Komponente bindet und dadurch sein Volumen ändert und dadurch den Farbeindruck wandelt. Responsive Gele können Hydrogele, Organogele oder Metallogele sein.
Anwendungen responsiver Polymere in Form von smarten Schichten liegen vor allem in der Biomedizin, der Biotechnologie, Pharmazie, Biomembrantechnologie, Biochromatographie und der Automobilindustrie vor, aber auch im Bereich der Entwicklung neuer Textilien.
Nachteilig bei den bekannten technischen Lösungen ist, dass nicht in ausreichendem Maße die optischen Eigenschaften von Sensoren oder Systemen veränderbar sind und diese Veränderungen auch nicht in ausreichendem Maße steuerbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Veränderung von optischen Signalen anzugeben, mit der die Veränderung der optischen Signale sicher in gewünschter Richtung und Größe und wiederholbar realisiert werden kann.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Veränderung von optischen Signalen besteht mindestens aus einem Substrat, einem kettenförmigen responsiven Polymer und einem Element, wobei das mindestens eine kettenförmige Polymer an einem Kettenende an das mindestens eine Substrat und an dem anderen Kettenende an das mindestens eine Element gekoppelt ist, und die Kopplung der Polymerkette durch Ausbildung von kovalenten chemischen Bindungen zwischen funktionellen Gruppen am Ende der Polymerkette und funktionellen Gruppen auf der Oberfläche des Elementes und des Substrates realisiert ist, und das Element mindestens zwei im Wesentlichen planparallel zueinander angeordnete Oberflächen aufweist, wobei mindestens teilweise an eine dieser im Wesentlichen planparallelen Oberflächen des Elementes das Kettenende des kettenförmigen Polymers kovalent gekoppelt ist und die andere im Wesentlichen dazu planparallele Oberfläche des Elementes optische Eigenschaften aufweist und/oder optische Signale verarbeitet.
Vorteilhafterweise besteht das Substrat aus Siliziumdioxid, Metallen, Keramiken oder Kunststoffen.
Weiterhin vorteilhafterweise ist das Material des Substrats inert gegenüber chemischen und/oder physikalischen Reizen.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist das kettenförmige responsive Polymer Polyacrylsäure (PAA), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylenoxid (PEO) oder Polyglutarsäure (PLG).
Und auch vorteilhafterweise liegen eine Vielzahl von gleichen kettenförmigen responsiven Polymeren in geringstem Abstand voneinander jeweils an das Substrat und das Element kovalent gekoppelt vor.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die kettenförmigen responsiven Polymere in Form von Polymerbürsten vorhanden sind.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die kettenförmigen responsiven Polymere eine Längenänderung der Polymerkette und/oder eine Verdrehung von Teilen oder der gesamten Polymerkette bei Einwirkung von chemischen und/oder physikalischen Reizen realisieren, wobei noch vorteilhafterweise die Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette reversibel und/oder wiederholbar ist, und/oder die Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette steuerbar ist, und/oder die Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette in der Größenordnung von Nanometern bis Mikrometern auftritt, wie von 5 nm bis 100 µm.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Element plattenförmig ist und Abmessungen im Nano- bis Millimeterbereich aufweist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn das Element eine spiegelnde Oberfläche aufweist und/oder die Verarbeitung von optischen Signalen realisiert.
Von Vorteil ist es auch, wenn die funktionellen Gruppen an dem Element und an dem Substrat Bestandteile einer Modifikatorsubstanz sind.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn mehrere kettenförmige Polymere vorhanden sind, deren Kettenende an unterschiedlichen Positionen an der gleichen Oberfläche des Elementes kovalent gekoppelt sind, wobei gleiche oder unterschiedliche Polymere an den verschiedenen Positionen vorhanden sind.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn das Element seine räumliche Position gegenüber dem Substrat ausschließlich durch die kovalent gekoppelte Polymerkette erhält und davon ausgehend frei beweglich ist, vorteilhafterweise das Element gegenüber seiner ursprünglichen Position verschoben, gekippt oder verdreht ist.
Und auch von Vorteil ist es, wenn eine Vielzahl der Anordnungen auf dem gleichen Substrat vorhanden sind, die gleiche oder unterschiedliche kettenförmige responsive Polymere und/oder Elemente aufweisen, wobei noch vorteilhafterweise die Vielzahl der Anordnungen auf dem gleichen Substrat mit gleichen oder unterschiedlichen kettenförmigen responsiven Polymeren eine gleichförmige Veränderung der Position der Elemente in Form einer parallelen oder seriellen Bewegung realisiert.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn im Raum zwischen Substrat und Element flüssige oder gasförmige Medien vorhanden sind, wobei diese Medien Partikel oder Polymere aus anderen Materialien enthalten können.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, eine Anordnung zur Veränderung von optischen Signalen anzugeben, mit der die Veränderung der optischen Signale sicher in gewünschter Richtung und Größe und wiederholbar realisiert werden kann.
Erreicht wird dies durch eine Anordnung, die mindestens besteht aus einem Substrat, einem kettenförmigen responsiven Polymer und einem Element.
Das Substrat kann dabei vorteilhafterweise aus Siliziumdioxid, Metallen, Keramiken oder Kunststoffen bestehen und das Material des Substrates ist auch vorteilhafterweise inert gegenüber chemischen und/oder physikalischen Reizen.
Dabei kann das Substrat aus einem Material bestehen, welches funktionelle Gruppen aufweist, die mit den funktionellen Gruppen eines Kettenendes der Polymerkette eine chemisch kovalente Bindung eingehen. Das Substrat kann aber auch ganz oder teilweise mit einem Substrat beschichtet sein, welches solche funktionellen Gruppen aufweist.
Durch gezielte Positionierung solcher Materialien auf der Substratoberfläche kann die Positionierung der angekoppelten Polymerkette gezielt ausgewählt und realisiert werden.
Das mindestens eine kettenförmige responsive Polymer ist an einem Kettenende an das mindestens eine Substrat und an dem anderen Kettenende an das mindestens eine Element kovalent gekoppelt.
Die Kopplung der Polymerkette erfolgt durch Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen funktionellen Gruppen am Ende der Polymerkette und funktionellen Gruppen auf der Oberfläche des Elementes und des Substrates.
Als kettenförmige responsive Polymere können vorteilhafterweise Polyacrylsäure (PAA), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylenoxid (PEO) oder Polyglutarsäure (PLG) vorhanden sein.
Vorteilhafterweise sind eine Vielzahl von gleichen kettenförmigen responsiven Polymeren vorhanden, die in einem geringsten Abstand voneinander jeweils an das Substrat und das Element kovalent gekoppelt vorliegen. Dadurch sind an einer räumlich eng begrenzten Stelle auf dem Substrat und an dem Element eine Vielzahl an gleichen kettenförmigen responsiven Polymeren gekoppelt, die dadurch die durch Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette realisierte Kraft vervielfachen und so auch größere und schwerere Elemente bewegt werden können.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Vielzahl von gleichen kettenförmigen responsiven Polymeren in Form von Polymerbürsten vorhanden ist.
Unter einem responsiven Polymer soll im Rahmen dieser Erfindung ein Polymer verstanden werden, welches bei Einwirkung eines chemischen und/oder physikalischen Reizes eine Längenänderung der Polymerkette und/oder eine Verdrehung von Teilen oder der gesamten Polymerkette realisieren, wobei deren Konformationsänderung intramolekulare oder intermolekulare Wechselwirkungen erzeugt, die zu einer mechanischen Bewegung und Änderung der Polymermaterial-Form oder der Ausdehnung des Polymermaterials führt .
Dabei sind die einwirkenden Reize vorteilhafterweise stromlos.
Der Reiz kann einmalig oder auch mehrmalig, wiederholt, moduliert angewendet werden, und es erfolgt stets die responsive räumliche Veränderung des Polymermaterials. Derartige Reize können beispielsweise Veränderungen von pH-Wert, Temperatur, Anwesenheit bestimmter biologischer Moleküle, Ionen, Redox-Reaktionen und Licht aber auch die Anwesenheit von Gasen oder Dämpfen sein.
Die von den kettenförmigen responsiven Polymeren ausgeführte Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette ist vorteilhafterweise reversibel und/oder wiederholbar, ebenso wie sie vorteilhafterweise steuerbar ist.
Die Steuerbarkeit kann durch Auswahl der Kettenlänge der Polymere, durch die Anzahl an Polymerketten an einer Kopplungsstelle, durch Auswahl der Polymere im Hinblick auf ihre Wirkung auf verschiedene chemische und/oder physikalische Reize oder auch durch die Positionierung der Kopplungsstelle oder Kopplungsstellen an einem Element und/oder am Substrat erreicht werden.
Die realisierbaren Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette können in der Größenordnung von Nanometern bis Mikrometern auftreten, wie von 5 nm bis 100 µm.
Die erfindungsgemäße gezielte Veränderung von optischen Signalen wird insbesondere durch die Lageänderung der Elemente gegenüber ihrer Ausgangslage erreicht.
Es können eine, mehrere oder eine große Anzahl von Elementen auf einer Substratoberfläche vorhanden sein, die über die Polymerketten oder Polymerketten mit der Substratoberfläche verbunden sind.
Die mechanische Bewegung der Polymere führt zu einer Lageänderung der Elemente. Die Lageänderung kann durch eine Kippung, Verdrehung oder translative Änderung erreicht werden. Die Lageänderung wird durch gezielte Änderung der Konformation mindestens eines Polymermaterials ausgelöst. Die Lageänderung wird durch asymmetrische Anbindung unterschiedlicher Polymermaterialen an der glatten Form bei gleichem Reiz ausgelöst oder durch Anbindung eines Polymermaterials mit lokal unterschiedlich wirkendem Reiz oder durch asymmetrische Anbindung unterschiedlicher Polymermaterialien und lokal unterschiedlich wirkendem Reiz.
Als Elemente, die optische Eigenschaften aufweisen und/oder optische Signale verarbeiten, sind insbesondere Elemente mit glatten und/oder spiegelnden Oberflächen vorhanden, die transmittierend, reflektierend, halbdurchlässig und/oder streuend sein können, oder eine Kombination mehrerer dieser Eigenschaften aufweisen.
Dabei können die Elemente aus Materialien wie Kristallen, Polymeren, Glas, Oxiden, Nitriden, Metallen oder aus Mischungen dieser Materialien bestehen. Sie können auch mit einer Beschichtung oder Dotierung versehen sein.
Das mindestens eine vorhandene Element weist mindestens zwei im Wesentlichen planparallel zueinander angeordnete Oberflächen auf, wobei mindestens teilweise an eine dieser im Wesentlichen planparallelen Oberflächen des Elementes das Kettenende des kettenförmigen responsiven Polymers kovalent gekoppelt ist.
Durch gezielte Positionierung von Modifkatorsubstanzen, die funktionelle Gruppen aufweisen, die mit den funktionellen Gruppen an einem Kettenende der Polymerkette eine kovalente Bindung eingehen, auf der Elementoberfläche kann die Positionierung der angekoppelten Polymerkette gezielt ausgewählt und realisiert werden.
Die andere im Wesentlichen dazu planparallele Oberfläche des Elementes soll optische Eigenschaften aufweisen und/oder optische Signale verarbeiten.
Für die zu realisierende Veränderung von optischen Signalen durch die erfindungsgemäße Anordnung muss das Element selbst optische Eigenschaften aufweisen und/oder optische Signale verarbeiten können. Dies kann beispielsweise realisiert sein durch eine spiegelnde Oberfläche des Elementes.
Das erfindungsgemäß vorhandene Element ist vorteilhafterweise plattenförmig und weist Abmessungen im Nano- bis Millimeterbereich auf.
Vorteilhafterweise sind mehrere kettenförmige responsive Polymere vorhanden, deren Kettenende an unterschiedlichen Positionen an der gleichen Oberfläche des Elementes kovalent gekoppelt sind, wobei gleiche oder unterschiedliche Polymere an den verschiedenen Positionen vorhanden sind.
Erfindungsgemäß ist von Bedeutung, dass das Element seine räumliche Position gegenüber dem Substrat ausschließlich durch die kovalent gekoppelte Polymerkette erhält und davon ausgehend frei beweglich ist. Je nach Art und Weise der Positionen der gekoppelten Polymerketten kann die Bewegung nur in eine Raumrichtung oder auch in mehrere oder alle Raumrichtungen erfolgen.
Vorteilhafterweise ist das Element gegenüber seiner ursprünglichen Position verschiebbar, kippbar oder verdrehbar.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine Vielzahl der Anordnungen auf dem gleichen Substrat vorhanden ist, die gleiche oder unterschiedliche kettenförmige responsive Polymere und/oder Elemente aufweisen.
Dadurch ist bei einer Vielzahl der Anordnungen auf dem gleichen Substrat mit gleichen oder unterschiedlichen kettenförmigen responsiven Polymeren eine gleichförmige Veränderung der Position der Elemente in Form einer parallelen oder seriellen Bewegung realisierbar.
Ebenfalls sehr vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, dass im Raum zwischen Substrat und Element flüssige oder gasförmige Medien vorhanden sein können, wobei diese Medien auch Partikel, beispielsweise metallische Partikel, oder Polymere aus anderen Materialien enthalten können.
Die partielle oder auch asymmetrische Oberflächenmodifizierung von Substrat und Element, insbesondere gezielt an den Kanten der Elemente kann beispielsweise gemäß den nachfolgend angegebenen Verfahren erfolgen.

A) Die Oberflächenenergie an den Ecken und Kanten der Elemente und/oder des Substrates ist vergleichsweise höher als auf den Oberflächen. Daher dienen die Ecken und Kanten als Keimbildner für beispielsweise Gasentwicklungsreaktionen. Gasblasen bilden sich bevorzugt an den Kanten und Ecken. Wird dieser Effekt mit einer stattfindenden nasschemischen Reaktion auf der Oberfläche kombiniert, wird eine partiell modifizierte Oberfläche erhalten, die im Bereich der Ecken und Kanten nicht vorliegt. Im Bereich der Ecken und Kanten liegt die Materialoberfläche freizugänglich vor. In einem zweiten Schritt kann nun die freizugängliche verbliebene Oberfläche an den Ecken und Kanten mit einer weiteren chemischen reaktiven Komponente modifiziert werden. Da sich neben der Oberflächenenergie auch die Benetzungseigenschaften im Bereich von Ecken und Kanten in Bezug zu den Oberflächen unterscheiden, kann die partielle Abschirmung der Ecken und Kanten auch über ein Lösemittel oder Lösemittelgemisch mit anderen polaren Eigenschaften erfolgen, als für ein Lösemittel oder Lösemittelgemisch, das die Oberflächen benetzt. Werden beiden Lösemitteln oder Lösemittelgemischen unterschiedliche reaktive chemische Komponenten zur Oberflächenmodifizierung zugegeben, wird eine asymmetrisch modifizierte Oberfläche von Elementen oder Substrat erreicht.
B) Die Ausrichtung der Oberfläche der Elemente und/oder des Substrates und die gerichtete Beschichtung oder Modifizierung der Oberfläche wird durchgeführt, so dass nur die Ecken und Kanten einer Hälfte der Oberfläche zugänglich ist. Dazu werden die Elemente in einer Matrix, z.B. aus Polymeren oder ähnlichen Materialien, räumlich fixiert und können anschließend wieder herausgelöst oder von der Matrix getrennt werden. Die Beschichtung kann beispielsweise über Spray-, Plasma-Beschichtung, physical oder chemical vapor deposition oder andere, dem Stand der Technik bekannte, Verfahren zur Beschichtung erzielt werden.

Die erfindungsgemäße gezielte Veränderung von optischen Signalen wird insbesondere durch die Lageänderung der Elemente gegenüber ihrer Ausgangslage erreicht.
Es können eine, mehrere oder eine große Anzahl von Elementen auf einer Substratoberfläche vorhanden sein, die über die Polymerkette oder Polymerketten mit der Substratoberfläche verbunden sind.
Mittels der erfindungsgemäßen Lösung können optische Bauelemente gestaltet werden, die stromlos auf Umgebungsbedingungen reagieren und zwar so, dass einfallendes Licht gezielt verändert wird.
Die Erfindung zeichnet sich durch Merkmale aus, die in dieser Form und in dem Zusammenspiel noch nicht bekannt sind. Dazu gehören:

- stromloser, beliebig oft wiederholbare Einstellvorgänge,
- lageunabhängiger Betrieb,
- Möglichkeit des Einsatzes von einzelnen optischen Bauelementen und Zusammenschalten von mehreren Bauelementen,
- hysteresearmer bis hysteresefreier Einstellvorgang,
- Auslegung als differenzierbare oder integrierbare Einheit
- unempfindlich gegenüber starken und/oder hochfrequenten elektromagnetischen Feldern.

Eine Möglichkeit für eine translative Lageänderung eines Elementes besteht darin, ein kettenförmiges responsives Polymer mit funktionellen Endgruppen jeweils direkt und punktuell an das Element und an das Substrat zu koppeln.
Dazu kann sowohl die Substratoberfläche als auch eine Oberfläche des Elementes punktuell mit einer Goldschicht als Modifikatorsubstanz versehen sein, so dass die funktionellen Endgruppen des Polymers an diesen punktuellen Goldschichten koppeln.
Die Kopplung kann auch durch Erwärmung von Substrat und/oder Element bei mindestens 80°C für 1 bis 5 Stunden befördert werden.
Als Substrat kann beispielsweise Polyurethan (PU)-folie mit einer Mindestdicke von 10 µm eingesetzt werden.
Als kettenförmiges responsives Polymer kann beispielsweise ein Thiolendgruppenmodifiziertes Polyethylenglycol oder partiell Thiolgruppen-modifiziertes Polyvinylamin eingesetzt.
Um ein Netzwerk von kettenförmigen responsiven Polymeren aufzubauen, kann beispielsweise Polyvinylamin-Makromoleküle mittels eines geeigneten Vernetzers, z.B. Glyoxal gezielt vernetzt werden.
Als Element kann ein Glasplättchen oder ein plattenförmiges Material aus beispielsweise Bisphenol-A basiertem Polycarbonat mit hoher optischer Transparenz eingesetzt, welches auf der substratzugewandten Oberfläche verspiegelt wurde.
Werden große Kräfte für die mechanische Bewegung der Elemente benötigt, können auch mehrere Polymerketten gekoppelt und dann kollektiv zur mechanischen Bewegung stimuliert werden oder ein Netzwerk aus kettenförmigen responsiven Polymeren mit mehreren Bindungsstellen mit den Elementen verbunden werden.
Um beispielsweise eine gezielte Brechungsindex-Änderung mit der erfindungsgemäßen Anordnung realisierten zu können, können in die Anordnung metallische Partikel eingebracht werden.
Diese metallischen Partikel können zwischen eine Vielzahl von kettenförmigen responsiven Polymeren eingebracht werden.
Werden beispielsweise metallische Nanopartikel in den Netzwerkporen des responsiven Polymers eingeschlossen, so vergrößert sich bei Quellung des responsiven Polymers der Abstand zwischen den metallischen Nanopartikeln. Dadurch werden die optischen Eigenschaften des responsiven Polymers verändert. Diese Änderungen werden auf das einfallende Licht aufgeprägt, wodurch eine Modulation des transmittierten Lichtes erzielt werden kann. Die Änderung beruht auf den veränderten spektralen Absorptionseigenschaften der metallischen Nanopartikel, wobei bei größeren Abständen rotes Licht stärker absorbiert wird als blaues Licht. Bei dem Schrumpfungsprozess des responsiven Polymers kehrt sich die Entwicklung um und infolge der verringerten Abstände der metallische Nanopartikel wird das einfallende Licht in einem anderen Spektralbereich absorbiert, wodurch es zu einer spektralen Veränderung des transmittierten Lichtes kommt. Neben der Absorption des Lichtes kann aber auch die Veränderung des Brechungsindexes des optisch homogenen responsiven Polymers mit den metallischen Nanopartikeln für die Modulation des Lichtes genutzt werden. Betragen die Abstände zwischen dem Substrat und Element einige wenige Mikrometer lassen sich aufgrund von auftretenden Interferenzen spektrale Filtereffekte des einfallendes Lichtes erzielen, so dass das transmittierte Licht eine Veränderung in seiner spektralen Zusammensetzung erfährt.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Auf einem plättchenförmigen, ebenen und runden Element aus SiO₂ mit einem Durchmesser von 200 nm und einer Höhe von 10 nm wird im Bereich der Kanten als kettenförmiges responsives Polymer Aminosilan mit jeweils den Kettenenden chemisch gekoppelt.
Die chemische Kopplung findet in einer Lösung aus carbonsäureterminierten Polymere vom Typ Poly(N-isopropylacrylamid)-co-Acrylsäure (PNIPAM-co-AAc) statt, in die das Element getaucht und eine äquimolare Menge an Aminosilan zugegeben werden. Die carbonsäureterminierten Polymere der Lösung reagieren mit dem Aminosilan, wodurch eine selektive chemische Ankopplung des PNIPAM-co-AAc im Bereich der Kanten des SiO₂-Substrates stattfindet.
Das so modifizierte SiO₂-Element wird auf einen Silizium-Wafer als Substrat, welcher mit einem polymeren Amin (Polyvinylamin (PVAm)) durch Adsorption beschichtet wurde, aufgebracht. Dabei koppeln die Kettenenden der PNIPAM-co-AAC-Polymere chemisch an das polymere Amin an, wodurch ein fester Verbund entsteht.
Die Verbundbildung zwischen dem ebenen, flachen Element und dem Silizium-Wafer erfolgt über die kovalente Kopplung aus Aminosilan - PNIPAM-co-AAc - PVAm als komplexem molekularen Scharnier und bilden die erfindungsgemäße Anordnung.
Wird dieser Verbund einer wässrigen Natriumchloridlösung ausgesetzt, reagieren die PNIPAM-co-AAc-Ketten in Abhängigkeit vom Salzgehalt in der Lösung durch eine Streckung oder Knäulung oder Schrumpfung der Polymerketten, was in einer Längenänderung resultiert. Die Position des gekoppelten ebenen, flachen Elementes ändert sich relativ zur Substratoberfläche. Der Abstand zwischen 1 und dem Substrat vergrößert sich.
Die der Kopplung abgewandte Oberfläche des plättchenförmigen, ebenen und runden Elementes aus SiO₂ ist mit einer 100 nm dicken Goldschicht beschichtet. Wird Licht im Wellenlängenbereich von 600 bis 50000 nm auf das Element fokussiert, so tritt an der Goldschicht Reflektion auf, wodurch sich bei Änderung der relativen Position des plättchenförmigen, ebenen und runden Elements der Reflexionswinkel von eingestrahltem Licht mit festem Einstrahlwinkel, im Verhältnis zu reflektiertem Lichtstrahl ändert.
Beispiel 2
Auf einem ebenen, flachen Substrat aus Polycarbonat der Größe von 5 cm x 5 cm und einer Dicke von 3 mm, welches durch Spritzguss hergestellt wurde, werden alle im Folgenden beschriebenen Schritte auf einer der beiden 5 × 5 cm² großen ebenen, flachen Seiten, im Weiteren als Oberfläche des ebenen, flachen Substrats genannt, durchgeführt.
Auf der Oberfläche des ebenen, flachen Substrats wird partiell Octadecyldiamin als kettenförmiges Material durch Aminolyse gekoppelt.
Partiell bedeutet im Rahmen dieses Beispiels, dass die Oberfläche des Substrates in Form eines schmalen Steges mit einer Breite von 30 nm über die Gesamtlänge von 5 cm modifiziert wird. Die Dicke der Modifizierungsschicht als schmaler Steg beträgt eine Moleküllänge von Octadecyldiamin.
Lokal davon getrennt, parallel in einem Abstand von 10 nm bis 60 nm und ebenfalls partiell und als schmaler Steg mit einer Breite von 20 nm wird die Oberfläche des ebenen flachen Substrates mit Jeffamine, mit einer molaren Masse größer 200 kDa, als einem kettenförmigen responsiven Polymer modifiziert. Die Anbindung der polymeren Kette des Jeffamines auf dem Substrat erfolgt kovalent. Der Grundkörper des Jeffamins besteht aus einem Block-co-Polymer aus Poly(ethylenoxid)-co-Poly(propylenoxid) und jeweils terminalen primären Aminogruppen.
Ein ebenes, flaches Element besitzt eine Ausdehnung von 60 nm x 60 nm und besteht aus einem Glaskern, der mit einem Goldfilm einer Dicke von 150 nm auf allen Oberflächen beschichtet wurde. Die Kanten des Elementes und eine der ebenen Flächen sind mit einer Monolage aus Sulfanylacetaldehyd beschichtet.
Nachfolgend werden das partiell mit Octadecyldiamin und Jeffamin beschichtete Substrat und 500 der teilweise mit Sulfanylacetaldehyde beschichteten Elemente über den stegartigen Beschichtungen des Substrates angeordnet und auf diese Anordnung bis mindestens über die stegartigen Beschichtungen Wasser mit einer Temperatur von 25 °C gegeben und für 30 min dort belassen. Während dieser Zeit erfolgt die chemisch Kopplung des Sulfanylacetaldehyds mit dem Octadecyldiamin und dem Jeffamin zu dem mit dem Substrat und dem Element gekoppelten kettenförmigen responsiven Polymerverbund.
Auf diese Art und Weise ist ein Linienmodul aus 500 ebenen, flachen Elementen auf einem Substrat entstanden.
Ein synchrones Schalten der 500 Elemente erfolgt durch eine Temperaturänderung. Bei Temperaturen von 25 °C liegen die kettenförmigen responsiven Polymere vollständig hydratisiert vor. Sie besitzen maximalen Raumbedarf. Die Elemente sind damit maximal gewinkelt zum Substrat angeordnet.
Die Erhöhung der Temperatur auf 45 °C bewirkt eine Verringerung der Hydratisierung des Polypropylenanteiles in den Makromolekülen der responsiven polymeren Ketten des Jeffamins. Sie knäulen sich zusammen und der Raumbedarf dieses Polymers sinkt. Die Elemente besitzen dadurch einen reduzierten Aufstellwinkel auf Seiten des Steges, der aus Jeffamin gebildet worden ist.
Wird Licht im Wellenlängenbereich von 600 bis 50000 nm auf das Linienmodul aus den 500 Elementen fokussiert, so tritt an der Goldschicht Reflektion auf. Durch die Erhöhung der Temperatur des Linienmoduls ändert sich der Aufstellwinkel der Elemente gegenüber dem Substrat und im Verhältnis zum Winkel des einfallenden Lichtstrahls, wodurch sich die von einem an unveränderter Position justierten Photodetektors gesammelte Lichtmenge verringert. Wird die Temperatur wieder abgesenkt, streckt sich das Polymer wieder, der Aufstellwinkel wird wieder der ursprünglichen Position angenähert und die am Photodetektor gesammelte Lichtmenge wird wieder größer. Dadurch lassen sich optische Signale ändern und die Reflektivität des Moduls kann stromlos gesteuert werden.

Claims

Anordnung zur Veränderung von optischen Signalen, mindestens bestehend aus einem Substrat, einem kettenförmigen responsiven Polymer und einem Element, wobei das mindestens eine kettenförmige Polymer an einem Kettenende an das mindestens eine Substrat und an dem anderen Kettenende an das mindestens eine Element gekoppelt ist, und die Kopplung der Polymerkette durch Ausbildung von kovalenten chemischen Bindungen zwischen funktionellen Gruppen am Ende der Polymerkette und funktionellen Gruppen auf der Oberfläche des Elementes und des Substrates realisiert ist, und das Element mindestens zwei im Wesentlichen planparallel zueinander angeordnete Oberflächen aufweist, wobei mindestens teilweise an eine dieser im Wesentlichen planparallelen Oberflächen des Elementes das Kettenende des kettenförmigen Polymers kovalent gekoppelt ist und die andere im Wesentlichen dazu planparallele Oberfläche des Elementes optische Eigenschaften aufweist und/oder optische Signale verarbeitet.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Substrat aus Siliziumdioxid, Metallen, Keramiken oder Kunststoffen besteht.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Material des Substrats inert gegenüber chemischen und/oder physikalischen Reizen ist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der das kettenförmige responsive Polymer Polyacrylsäure (PAA), Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylenoxid (PEO), oder Polyglutarsäure (PLG) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der eine Vielzahl von gleichen kettenförmigen responsiven Polymeren in geringstem Abstand voneinander jeweils an das Substrat und das Element kovalent gekoppelt vorliegen.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der die kettenförmigen responsiven Polymere in Form von Polymerbürsten vorhanden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der die kettenförmigen responsiven Polymere eine Längenänderung der Polymerkette und/oder eine Verdrehung von Teilen oder der gesamten Polymerkette bei Einwirkung von chemischen und/oder physikalischen Reizen realisieren.
Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette reversibel und/oder wiederholbar ist.
Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette steuerbar ist.
Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Längenänderung und/oder Drehbewegung der Polymerkette in der Größenordnung von Nanometern bis Mikrometern auftritt, wie von 5 nm bis 100 µm.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Element plattenförmig ist und Abmessungen im Nano- bis Millimeterbereich aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Element eine spiegelnde Oberfläche aufweist und/oder die Verarbeitung von optischen Signalen realisiert.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der die funktionellen Gruppen an dem Element und an dem Substrat Bestandteile einer Modifikatorsubstanz sind.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der mehrere kettenförmige Polymere vorhanden sind, deren Kettenende an unterschiedlichen Positionen an der gleichen Oberfläche des Elementes kovalent gekoppelt sind, wobei gleiche oder unterschiedliche Polymere an den verschiedenen Positionen vorhanden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Element seine räumliche Position gegenüber dem Substrat ausschließlich durch die kovalent gekoppelte Polymerkette erhält und davon ausgehend frei beweglich ist, vorteilhafterweise das Element gegenüber seiner ursprünglichen Position verschoben, gekippt oder verdreht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der eine Vielzahl der Anordnungen auf dem gleichen Substrat vorhanden sind, die gleiche oder unterschiedliche kettenförmige responsive Polymere und/oder Elemente aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 16, bei der die Vielzahl der Anordnungen auf dem gleichen Substrat mit gleichen oder unterschiedlichen kettenförmigen responsiven Polymeren eine gleichförmige Veränderung der Position der Elemente in Form einer parallelen oder seriellen Bewegung realisiert.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der im Raum zwischen Substrat und Element flüssige oder gasförmige Medien vorhanden sind, wobei diese Medien Partikel oder Polymere aus anderen Materialien enthalten können.