DE10240488A1 - Hohlfaser, insbesondere Nano- oder Mikroröhrchen, sowie Verwendung hierzu - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hohlfaser, insbesondere ein Nano- oder Mikroröhrchen, die zumindest bereichsweise einen sich in Längsrichtung ändernden Durchmesser aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hohlfaser mit einem Außendurchmesser von maximal 1 mm, insbesondere ein Nano- oder Mikroröhrchen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Hohlfasern mit einem Außendurchmesser von bis zu minimal 0,28 mm und Wandstärken von bis zu minimal 0,01 µm sind beispielsweise aus der auf den selben Anmelder zurückgehenden WO 00/10938 bekannt. Hierin wird auch ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Hohlfasern aus Folien, welche auch mehrschichtig aufgebaut und/oder beschichtet sein können, mittels Wickeln beschrieben.
• Ferner sind aus der ebenfalls auf den selben Anmelder zurückgehenden WO 97/26225 Mikrohohlfasern aus keramischem Material bekannt, welche eine Wandstärke von 0,01 bis 15 µm und einen Außendurchmesser von 0,5 bis 35 µm aufweisen.
• Andererseits ist es bekannt, dass Solarzellen aus dünnen Scheiben kristallinen Siliziums, aus Galliumarsenid oder anderen Halbleitern, Sonnenstrahlen direkt in Elektrizität umwandeln können. Der wesentliche Bestandteil einer Solarzelle ist ein Halbleiterphotoelement, in dem die Umwandlung von Strahlungsenergie (Sonnenstrahlen) in elektrische Energie durch den inneren Photoeffekt stattfindet. Beim inneren Photoeffekt verlassen die durch Photonen angeregten Elektronen das Material nicht. Diesen Effekt beobachtet man insbesondere bei Halbleitern und Isolatoren. Dabei werden die Elektronen durch elektromagnetische Strahlung vom Valenzband in das Leitungsband angehoben.
• Derartige, heute gängige Solarzellen weisen einen Wirkungsgrad von 30 oder mehr Prozent auf Sie sind jedoch in Ihrer Herstellung sehr teuer. Durch die Verbindung einer großen Zahl von Solarzellen zu Modulen konnten die Kosten der photovoltaischen Stromerzeugung zwar deutlich gesenkt werden, zur Stromerzeugung im großen Maßstab sind sie jedoch immer noch zu teuer. Teilweise ist ihr Einsatz aber auch schon wirtschaftlich möglich, so bei der Stromversorgung von einzelnen Häusern oder Ortschaften, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind. Auch bei der Stromversorgung dezentraler oder mobil genutzter Geräte wie Bojen, Taschenrechnern oder Uhren sowie in der Raumfahrt, bei Systemen für die Wasserversorgung und in der Telekommunikation setzen sich Solarzellen immer mehr durch. Im Rahmen der Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien nimmt die Photovoltaik eine Schlüsselrolle ein.
• Neben den kristallinen Solarzellen gibt es so genannte Dünnschichtsolarzellen. Diese lassen sich äußerst kosten- und zeitsparend mit Hilfe eines einfachen Abscheidungsverfahrens herstellen. Die aktiven Bestandteile dieser Zellen sind u. a. die Elemente Kupfer, Zink, Selen und Indium. Mit diesen Systemen können Wirkungsgrade über 13 Prozent erreicht werden. So kamen beispielsweise im November 1999 Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid mit einem Wirkungsgrad von 19 Prozent auf den Markt. Obwohl dieser Wert immer noch niedriger liegt als bei herkömmlichen Ausführungen, gehören Dünnschichtsolarzellen zu den kostengünstigsten Systemen - im Bezug auf die Produktionskosten. Eine derartige Dünnschichtsolarzelle ist beispielsweise im Jahresbericht 2000 der ZSW, S. 24-25 beschrieben.
• Solarzellen auf der Basis eines organischen Halbleiters wurden durch eine Entwicklung der Beil Laboratories im Oktober 2000 zugänglich. Die Forscher konstruierten eine Solarzelle, bei der das Photoelement nicht auf Silizium sondern auf Pentacen beruht. Pentacen ist ein aromatischer Kohlenwasserstoff mit fünf anellierten (aneinander kondensierte) Benzolringen. Mit der kristallinen Form des organischen Halbleiters gelang es den Wissenschaftlern, einen Prototyp zu bauen, der einen Wirkungsgrad von 4,5 Prozent erreichte (Microsoft® Encarta® Professional 2002. ©1993-2001 Microsoft Corporation).
• Aus der EP 1 033 762 A2 ist ein Sonnenkollektor mit Hohlfasern, insbesondere Glasfasern bekannt, welche mit photovoltaisch aktivem Material beschichtet sind, wobei diese Fasern gemäß einer hierin beschriebenen Variante hohl sind und das photovoltaisch aktive Material an der Innenseite der Fasern aufgetragen ist. Das photovoltaisch aktive Material kann dabei einschichtig oder mehrschichtig aufgebaut sein. Hierbei wird bei einem mehrschichtigen Materialauftrag zwischen zwei Schichten aus photovoltaisch aktivem Material ein p-n-Übergang gebildet. Die Hohlfasern sind vorzugsweise transparente, elektrische Isolatoren.
• In den Fasern ist mindestens ein Fenster gebildet, durch das eine Schicht des photovoltaisch aktiven Materials elektrisch leitend kontaktiert ist. Die Fasern sind mit dotierten Halbleitern beschichtet, wobei eine als Elektrode dienende, elektrisch leitende erste Kontaktschicht direkt auf den Fasern, auf dieser ersten Kontaktschicht wenigstens eine Absorptionsschicht und auf dieser wenigstens einen Absorptionsschicht eine Gegenelektrode aufgebracht sind, wobei die erste Kontaktschicht und/oder die zweite Kontaktschicht transparent sind, und wobei zwischen der ersten Kontaktschicht und der angrenzenden, wenigstens einen Absorptionsschicht eine Anpassungsschicht vorgesehen ist. Dabei füllt die zweite Kontaktschicht vorzugsweise den verbleibenden Hohlquerschnitt aus. Alle Schichten können Mediatoren aufweisen, welche beispielsweise die Elastizität beeinflussen. Der Hohlfaser-Außendurchmesser liegt im Bereich von etwa 100 bis 200 µm.
• Aus der EP 0 275 006 A2 ist ferner ein Solarzellenelement bekannt, bei dem rings um eine langgestreckte Elektrode eine photovoltaische Schicht angeordnet ist.
• Ferner ist aus der Nanotechnologie der so genannte Lotos-Effekt, benannt nach der Lotosblume, bekannt. Die Oberfläche ihrer Blätter verschmutzt praktisch nicht; gezielt aufgebrachter und normalerweise fest anhaftender Schmutz, selbst Klebstoff, lässt sich mit klarem Wasser leicht abspülen. Das liegt daran, dass die Oberfläche nicht - wie man annehmen könnte - absolut glatt ist, sondern im Gegenteil eine extrem feine Rauhigkeit aufweist, so dass sie nicht benetzbar ist. Diesen Effekt zeigen auch die Blätter von Tulpe, Kohl, Kapuzinerkresse und Schilf. Inzwischen können solche Oberflächen auch aus Kunststoffen hergestellt werden. Ihre verbreitete Anwendung wird in vielen Bereichen der Technik enorme Kosteneinsparungen ermöglichen, z. B. beim Anstrich von Gebäudefassaden oder Flugzeugen (vgl. Microsoft® Encarta® Professional 2002, Nanotechnologie, ©1993-2001 Microsoft Corporation).
• Die eingangs genannten Hohlröhrchen sowie Solarzellen in Form von Nano- oder Mikroröhrchen lassen jedoch noch Wünsche offen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Hohlfaser, insbesondere ein Nano- oder Mikroröhrchen, der eingangs genannten Art zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hohlfaser mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Erfindungsgemäß weist die Hohlfaser mit einem Außendurchmesser von maximal 1 mm, insbesondere ein Nano- oder Mikroröhrchen, d. h. Hohlfasern mit Außendurchmessern, die im Nano- bzw. Mikrobereich liegen, zumindest bereichsweise einen sich in Längsrichtung ändernden, insbesondere mehrfach wiederholend, insbesondere periodisch, ändernden, Durchmesser auf. Dabei kann die Hohlfaser neben einem kreisförmigen auch einen anderen, insbesondere einen elliptischen oder ovalen Querschnitt, aufweisen, so dass im Folgenden unter Durchmesser der jeweilige vergleichbare hydraulische Durchmesser verstanden wird. Insbesondere sind faltenbalgartige oder sägezahnartige Ausgestaltungen vorteilhaft. Hierbei sind vorzugsweise die Bereich ohne Durchmesseränderung gleichgroß bis zehnmal, insbesondere zwei- bis fünfmal, so groß wie die Bereiche ohne Durchmesseränderung. Ferner sind vorzugsweise die Bereiche mit Durchmesseränderung ein- bis fünfmal, insbesondere zwei- bis dreimal, so lang wie der unveränderte Durchmesser. Dabei betragen die Durchmesseränderungen vorzugsweise maximal 30%, insbesondere maximal 15%, des unveränderten Durchmessers. Infolge der Durchmesseränderungen ergeben sich textile Eigenschaften, d. h. die Hohlfaser kann entsprechend einem textilen Faden verarbeitet werden.
• Die Verwendungsmöglichkeiten derartiger Hohlfasern sind sehr vielfältig. Besonders bevorzugt ist die Verwendung für Solarzellen. Hierbei bildet die Hohlfaser den äußeren Träger und dient als Isolation und Schutz für die eigentliche Solarzelle.
• Im Folgenden wird die Herstellung anhand von Glas näher erläutert. Hierbei ist Glas im allgemeinen Sinn ein Schmelzprodukt aus Quarzsand (Siliziumdioxid) mit anderen oxidischen Beimengungen. Im wissenschaftlichen Sinn versteht man unter Gläsern Feststoffe, die sich im amorphen, nichtkristallinen Zustand befinden. Im Prinzip handelt es sich bei Glas um eine eingefrorene, unterkühlte Flüssigkeit oder Schmelze. Ist beispielsweise die Abkühlgeschwindigkeit bei einer Schmelze genügend groß, so lässt sich praktisch jede geschmolzene Substanz in den "Glaszustand" überführen. Daher zählen nicht nur Quarzsandprodukte zu den Gläsern. Auch Substanzen wie z. B. Acrylglas (u. a. Plexiglas) und Zellglas (aus Cellulose) gehören zu dieser Substanzgruppe. Glas findet sich auch in der Natur, in dem aus vulkanischer Tätigkeit stammenden Obsidian, und den Glasbrocken kosmischer Herkunft, die als Tektite bekannt sind. Durch Erhitzen kann Glas wieder verflüssigt werden. Glas ist in der Regel transparent, kann aber auch nur halb durchsichtig oder opak (undurchsichtig) sein. Durch besondere Stoffzusätze entsteht gefärbtes Glas.
• Der Hauptbestandteil des herkömmlichen Glases ist Siliziumdioxid (Quarzsand). Je nach Anwendungsgebiet besteht Glas aus Gemischen von basischen Oxiden (wie z. B. Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Calcium-, Barium- oder Zinkoxid) und sauren Oxiden (z. B. Siliziumdioxid, Bortrioxid, Aluminiumtrioxid oder Diphosphorpentoxid).
• Natron-Kalk-Glas setzt sich aus Natriumoxid, Calciumoxid und Siliziumdioxid, Kali- Kalk-Glas aus Kaliumoxid, Calciumoxid und Siliziumdioxid zusammen. Das natriumhaltige Glas stellt im Prinzip das normale Gebrauchsglas dar. Hierzu zählen z. B. Fensterglas, Flaschen- und Spiegelglas. Kaliumhaltige Gläser sind im Gegensatz zu den Natron- Kalk-Gläsern schwerer schmelzbar. Kali-Kalk-Gläser verwendet man für besondere Zwecke wie z. B. Kronglas (optische Gläser). Darüber hinaus gibt es Gläser, die sowohl natrium- als auch kaliumhaltig sind. Zur technischen Herstellung dieser Gläser verwendet man Quarzsand, Natriumcarbonat (Soda) und/oder Kaliumcarbonat (Pottasche). Als Kalkkomponente (Calciumcarbonat) werden Kreide oder Marmor bzw. bei weniger feinen Gläsern Kalkspat oder Kalkstein eingesetzt. Beim Erhitzen bilden die Carbonate letztendlich das entsprechende Oxid und geben dabei Kohlendioxid ab. Zu einem geringen Anteil enthalten diese Gläser außerdem Aluminiumtrioxid und Magnesiumoxid.
• Bor-Tonerde-Glas enthält neben Siliziumdioxid und Alkalien als wichtigen Bestandteil noch Bor- und Aluminiumoxid. Da es sehr haltbar und gegen chemische Substanzen und Hitze äußerst widerstandsfähig ist, wird es u. a. für Kochgeschirr und Laborgeräte (z. B. Jenaer Glas) verwendet.
• Verunreinigungen in den Rohstoffen trüben das Glas. Um eine klare, farblose Masse zu erzielen, fügen die Glashersteller Mangandioxid bei; die durch Eisen im Sand hervorgerufene Grün- und Braunfärbung wird damit entfernt. Allgemein lässt sich Glas färben, indem man bestimmte Metalloxide in das Gemenge mischt. Je nach Zusammensetzung kann Glas bereits bei einer Temperatur von 500°C, aber auch erst bei 1650°C schmelzen. Die Zugfestigkeit, die normalerweise zwischen 280 und 560 Kilogramm pro Quadratzentimeter beträgt, kann bei speziell behandeltem Glas 7000 Kilogramm pro Quadratzentimeter überschreiten. Nachdem die Rohstoffe sorgfältig vorbereitet sind, werden sie vermischt und in entsprechende Öfen eingetragen. In diesen Schmelzbehältnissen werden die Mischungen zunächst bei Temperaturen bis zu 1000°C geschmolzen und anschließend bei Temperaturen bis 1450 bzw. 1550°C geläutert. Es gibt fünf grundlegende Verarbeitungsmethoden für Glas in plastischem Zustand: Gießen, Blasen, Ziehen, Pressen und Walzen. Damit lässt sich eine unendliche Formenvielfalt erzielen. Die Formgebungstemperaturen liegen zwischen 900 und 1200°C. (Vgl. Microsoft® Encarta® Professional 2002, Glas, ©1993-2001 Microsoft Corporation).
• Flüssiges Glas kann direkt am Ofen zu den verschiedensten Objekten gezogen (gesponnen) werden: beispielsweise zu Röhren oder Fasern und Stäben, die denselben Durchmesser haben müssen. Röhren werden hergestellt, indem man eine zylindrische Masse halbflüssigen Glases zieht und gleichzeitig durch das Zentrum des Zylinders einen Luftstrom schickt. Auf diese Weise lassen sich auch Mikro- und Nanoröhrchen herstellen. Hierbei erfolgt auch ein Reckvorgang, durch welchen sich der Durchmesser weiter reduzieren lässt. Nachfolgend erfolgt, beispielsweise in einem Wasserbad, die Umformung in einer Art Prägevorgang, bei dem beispielsweise die faltenbalgartige Struktur ausgebildet wird. Der Prägevorgang kann kontinuierlich verlaufen, so dass die gesamte Oberfläche der Hohlfaser geprägt sein kann, es ist jedoch ausreichend, wenn geprägte Bereiche sich mit nicht geprägten Bereichen abwechseln, wobei der Abstand nur so groß sein darf, dass die textilen Eigenschaften nicht wesentlich beeinträchtigt werden. Beim anschließenden Abkühlvorgang erfolgt ein Schrumpfprozess, der in Abhängigkeit vom Material durchaus auch ein Schrumpfen von 50% und mehr umfassen kann.
• Hierzu werden, insbesondere bei größeren Abmessungen, nach dem Formen die Glasgegenstände kontrolliert gekühlt, um innere Spannungen auszugleichen, die durch das unterschiedlich schnelle Erkalten der verschiedenen Schichten des Glases entstehen. Dazu wird das Glas in einem Ofen noch einmal erhitzt - diesmal auf eine Temperatur, die gerade so hoch ist, dass Spannungen abgebaut werden - und dann langsam abgekühlt. Spannungen können aber auch mit Absicht erzeugt werden, um das Glas widerstandsfähiger zu machen. Da Glas bricht, wenn die Zugbeanspruchung zu groß ist, komprimiert man die Oberfläche und vergrößert dadurch die Zugbeanspruchung, die das Material tolerieren kann. Mit dem so genannten Glastempern erreicht man die gewünschte Spannung der Oberfläche, indem man das Glas so weit erhitzt, bis es fast weich ist, und dann durch einen Luftstoß oder Eintauchen in Flüssigkeit schockartig abkühlt. Die Oberfläche wird sofort hart, und die nachfolgende Kontraktion der inneren Schichten, die langsamer abkühlen, zieht die Oberfläche zusammen. Mit dieser Methode lassen sich in dicken Glasplatten Dichten bis zu 2460 Kilogramm pro Quadratzentimeter erzielen. Daneben sind chemische Methoden entwickelt worden: Die Zusammensetzung oder die Struktur der Glasoberfläche wird durch Ionenaustausch so verändert, dass die Dichte des Materials zunimmt. Damit lässt sich eine Zugfestigkeit von über 7000 Kilogramm pro Quadratzentimeter erreichen. (Vgl. Microsoft® Encarta® Professional 2002, Glas, ©1993-2001 Microsoft Corporation).
• Neben Glas (im technischen Sinne) als Material sind beliebige andere Materialien geeignet, die strahlungsdurchlässig, insbesondere lichtdurchlässig, sind, elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen und entsprechend ausgebildet werden können.
• Hierfür komrnt beispielsweise das Mineral Zirkon (Zirkoniumsilikat ZrSiO4) in Frage, insbesondere in synthetisch hergestellter Form. Es gehört in das tetragonale Kristallsystem, ist durchsichtig, durchscheinend oder opak, besitzt einen diamantartigen Glanz. Es kommt als farbloser Kristall oder in grünen, roten, blauen, gelben und braunen Farbtönen vor. Zirkon-Varietäten sind der blaue Starlit und der durchsichtige, gelbe, rote oder braune Hyazinth, die als Schmuckstein verarbeitet werden. Eine andere, farblose oder gelbliche Varietät heißt Jargon. Durch Brennen bei hohen Temperaturen (900 bis 1000°C) verändern oder verlieren Zirkone ihre Farbe und gewinnen dafür an Glanz. (Vgl. Microsoft® Encarta®) Professional 2002. ©1993-2001 Microsoft Corporation). Insbesondere ist yttriumstabilisiertem Zirkondioxid geeignet.
• Ebenfalls kann Korund verwendet werden, insbesondere in synthetisch hergestellter Form. Korund ist ein natürlich vorkommendes Aluminiumoxidmineral, das aus a-Al2O3 besteht. Korund kristallisiert im hexagonalen System. Die gefärbten, durchsichtigen Kristalle des Minerals sind als Saphire (blau gefärbte Art, synthetisch hergestellt als Leukosaphir bezeichnet) und Rubine (rot gefärbte Art, Aluminiumoxid (Al2O3) mit geringen Chromoxidbeimischungen (Cr2O3)) seit dem Altertum bekannt. Farblosen, kostbaren Korund nennt man weißen Saphir. Gelben Korund bezeichnet man als gelben oder goldenen Saphir (auch orientalischer Topas), und blassrosa gefärbte Steine tragen auch den Namen rosa Saphir. Die verschiedenen Farben im Korund werden durch kleine Mengen an Verunreinigungen verursacht, beispielsweise Chrom, Eisen oder Titan im Aluminiumoxid (Al2O3), aus dem das Mineral im Wesentlichen besteht. Gewöhnlicher Korund ist meist grau, gräulichblau oder braun. Isotyp (gleiche Kristallstruktur) zum Korund sind z. B. Hämatit (a-Fe2O3) und Ilmenit (FeTiO3). (Vgl. Microsoft® Encarta® Professional 2002. ©1993-2001 Microsoft Corporation)
• Ferner sind beispielsweise transparente Kunststoffe, insbesondere Polymere, wie PEEK (Polyätherätherketon), PEEKK (Polyätherätherketonketon), oder aber auch PTFE geeignet. Die Materialien müssen bei den gewünschten Abmessungen der Hohlfaser eine ausreichende Festigkeit und Beständigkeit aufweisen.
• Vorzugsweise werden derartige (lichtdurchlässige) Hohlfasern als Solarzellen verwendet. Hierbei eignet sich als äußere Elektrode insbesondere jeder im Wesentlichen lichtdurchlässige elektrische Leiter. So ist aus Kostengründen insbesondere Zinkoxid (ZnO) geeignet. Das Aufbringen kann beispielsweise infolge einer chemischen Badabscheidung durch Einsaugen und anschließenden Abscheiden an der Innenmantelfläche der Hohlfaser erfolgen. Bezüglich der Offenbarung von weiteren verwendbaren Substanzen, auch in Hinblick auf die anderen Schichten, sei hiermit ausdrücklich auf die EP 0 275 006 A2 hingewiesen.
• Als photovoltaisch aktive Schicht ist aus Kostengründen insbesondere Cadmiumsulfid (CdS) geeignet. Das Aufbringen kann beispielsweise infolge einer chemischen Badabscheidung durch Einsaugen und anschließenden Abscheiden an der Innenmantelfläche der Hohlfaser erfolgen. Alternativ kann die Schicht beispielsweise galvanisch aufgebracht werden.
• Als Mittelelektrode eignen sich im Prinzip alle elektrischen Leiter, insbesondere Kohlenstoff oder andere Metalle (Ag, Cu, Al, Fe, W, Ni, Zn, Mo u. a.). Vorzugsweise wird diese Elektrode, in der Regel zentral ausgebildete Elektrode, durch Kohlenstoff gebildet. Dabei liegt der Kohlenstoff vorzugsweise in Form von sehr kleinen, mobilen Partikeln, insbesondere Nanopartikeln, vor. Diese weisen insbesondere Durchmesser von 50 nm bis maximal 10 µm, vorzugsweise im unteren Bereich und abhängig vom vorhandenen Hohlfaserinnendurchmesser, auf. Die mobilen Partikel werden vorzugsweise mittels Einschwämmen, mittels unter Vakuum einsaugen oder mittels dem Koronaeffekt eingebracht. Anschließend werden die Hohlfasern verschlossen und/oder gerahmt.
• Ebenfalls vorteilhaft ist die Verwendung von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff auf Grund deren sehr guten elektrischen Leitfähigkeit, sowie die Verwendung mobiler, kleinster Kohlenstoffpartikel.
• Ferner ist die Verwendung von Graphit, Molybdän, Kupfer als Elektrode auf dem Absorber besonders geeignet.
• Zwischen den einzelnen Schichten können kleine Zwischenschichten vorgesehen sein oder die Schichten können sogenannte Mediatoren aufweisen, beispielsweise Phtalsäureester, welche die chemischen und physikalischen Eigenschaften verbessern und insbesondere an die der benachbarten Schichten angleichen.
• Vorzugsweise weist die äußere Oberfläche feine Rauhigkeiten auf und ist selbstreinigend (Lotos-Effekt). Dies verhindert eine Verschmutzung der Hohlfasern von außen, so dass beispielsweise bei Regen eine Selbstreinigung erfolgt und somit keine Reinigung durch Personal erforderlich ist.
• Die Hohlfasern werden vorzugsweise zu einem Stoff verarbeitet, insbesondere verstrickt oder verwebt. Im Falle von Nanoröhrchen, d. h. bei Außendurchmessern von weniger als 1 µm, weisen dieselben Hohlfaserlängen um 30 mm auf. Dabei werden die Hohlfasern vorzugsweise sofort nach der Herstellung gerahmt oder auf sonstige Weise verarbeitet.
• Eine derartige Hohlfaser oder ein aus diesen Hohlfasern hergestellter Stoff kann vorzugsweise als Sender/Empfänger für Handys oder zur Überwachung der Diagnostik, z. B. eines Herzschrittmachers, beispielsweise integriert in "intelligenter" Kleidung oder in einem Cabrio-Dach, verwendet werden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Hohlfaser innen und/oder außen sulfoniert. Derartige Hohlfasern sind insbesondere für bionische Anwendungen geeignete. Durch das Sulfonieren werden die Hohlfasern hydrophil und somit auch protonenleitend. Ferner werden sie auch lipophil, so dass eine gezielte Ansiedelung von Zellen möglich ist. So können insbesondere menschliche oder tierische Zellen, vorzugsweise sich schnell regenerierende Geruchsnerven, in vivo auf der Hohlfaser zur Bildung von Zellen, insbesondere eines Nervenstranges, aus adulten Zellen angesiedelt werden. Die Ansiedelung erfolgt dabei außerhalb der menschlichen oder tierischen Körpers. Die anschließende Vermehrung der Zellen kann sowohl außerhalb als auch innerhalb der menschlichen oder tierischen Körpers erfolgen. Durch das Vorsehen der sulfonierten Schicht an der Innen- und/oder Außenmantelfläche mit einer nicht sulfonierten Zwischenschicht wird eine Barriere für Bakterien und Viren erzeugt. Auf Grund der textilen Eigenschaften der Hohlfaser lassen sich beliebige Formen herstellen, beispielsweise mittels Stricken. In der Regel lösen sich die Hohlfasern nach geraumer Zeit auf, so dass nach mehreren Wochen, Monaten oder Jahren kein Fremdkörper mehr vorhanden ist. Ferner können die entsprechenden Hohlfasern, welche Nervenzellen ersetzen sollen, direkt die Weiterleitung von Signalen, die ansonsten innerhalb eines Neurons erfolgt, übernehmen.
• Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 eine schematisch dargestellte Ansicht einer erfindungsgemäßen Hohlfaser,
• Fig. 2 einen stark schematisch dargestellten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Solarzelle, wobei nur eine Hälfte der Solarzelle dargestellt ist,
• Fig. 3 einen schematisch dargestellten, gerahmten Stoff aus erfindungsgemäßen Hohlfasern, und
• Fig. 4 ein stark schematisiertes Anwendungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 1 zeigt einen schematisierten Schnitt durch eine Hohlfaser 1. So weist die Hohlfaser 1 eine durchgehend faltenbalgartige Gestalt auf, vergleichbar einem abknickbaren Plastik-Trinkhalm. Dabei hat die Hohlfaser 1 einen maximalen Außendurchmesser da von 60 µm und einen minimalen Außendurchmesser di von 40 µm. Die Wandstärke, senkrecht zur Oberfläche gesehen, beträgt 5 µm. Auf Grund dieser Abmessungen wird im Folgenden auf die Hohlfaser 1 auch als Mikroröhrchen Bezug genommen. Durch die faltenbalgartige Gestalt der Hohlfaser 1 hat dieselbe textile Eigenschaften, das heißt, dass sie die gleichen Verarbeitungsanforderungen wie Naturwolle erfüllt, also die Verstrickbarkeits-, Verwebbarkeits-, Verwirkbarkeits-, Verknotbarkeits- und Verfilzbarkeitsanforderungen erfüllt.
• Ferner weist die Oberfläche der Hohlfaser 1 eine Struktur von extrem feiner Rauhigkeit auf, die den sogenannten Lotos-Effekt, bewirkt. Die derartige Ausgestaltung der Oberfläche der Hohlfaser 1 bewirkt, dass sie praktisch nicht verschmutzt. Schmutz, selbst Klebstoff, lässt sich mit klarem Wasser leicht abspülen.
• In Fig. 2 sind die einzelnen Schichten der Hohlfaser 1, welche gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Solarzelle verwendet wird, geschnitten dargestellt. Hierbei wird die Richtung des Lichteinfalls symbolisch durch Pfeile angedeutet, um die Innen- und Außenseite zu verdeutlichen. Der Lichteinfall muss nicht, wie dargestellt, in einem rechten Winkel, sondern kann auch in einem beliebigen anderen Winkel erfolgen. Als äußerste Schicht ist eine Deck- oder Schutzschicht, im Folgenden als Schicht 2 bezeichnet, in Form eines im Wesentlichen transparenten Isolators 3 vorgesehen. Diese Schicht 2 wird durch die Hohlfaser 1 gebildet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Hohlfaser 1 aus Glas (Al2O3).
• In der Hohlfaser 1 ist eine ersten Elektrode 4, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel Zinkoxid (ZnO), hieran anschließend eine photosensitive Absorberschicht 5, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel Cadmiumsulfid (CdS), und eine zweite Elektrode 6 vorgesehen. Hierbei wird die zweite Elektrode 6 durch kleinste, mobile Kohlenstoffpartikel gebildet.
• Die Einbringung der Kohlenstoffpartikel kann mittels Einschwämmen oder mit Hilfe elektrostatischer Aufladung bzw. Ionisierung und anschließender Koronaentladung, wodurch die Partikel in die Hohlfaser eingesaugt werden.
• Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind die Hohlfasern 1 miteinander zu einem Stoff 7 verwebt. Der Stoff 7 wird von einer Rahmung 8 fixiert, mittels welcher auch der durch die Solarzellen erzeugte Strom abgegriffen und einem Benutzer zugeführt wird. Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise mittels eines Haftverschlusses (Klettverbindung) an der Bekleidung eines Patienten angebracht werden, und als Energieversorgung für einen Sender sowie bei entsprechender Ausgestaltung gegebenenfalls auch selbst direkt als Sender dienen und Daten, beispielsweise Diagnosedaten, übermitteln. Für die direkte Verwendung als Sender erfolgt eine hochfrequente Verkopplung einzelner Solarantennen. Dies führt zu einer Bündelung des Signals. Dabei ist die gleichstrommäßige serielle oder parallele Verschaltung der Solarzellen unabhängig von ihrer hochfrequenten Verschaltung. Gegebenenfalls sind auch Multilayer-Leiterplatten mit integriert. Eine entsprechende Verschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Hierbei ist, der Einfachheit halber, die Solarzelle als planares Element dargestellt. Dabei dient die Rahmung 8 als Fixierung für den das flexible, textile Solarelement bildenden Stoff.
• Gemäß dem im Folgenden beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel, welches in seiner geometrischen Ausgestaltung, soweit nicht explizit erwähnt, derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels entspricht, wird die äußerste Schicht 2 durch ein transparentes Polymer, im vorliegenden Fall Polyätherätherketon (PEEK) gebildet. Hierbei handelt es sich um einen hochtemperaturbeständigen und schlagzähen Thermoplasten, der aus 4,4'- Difluorbenzophenon und Hydrochinon-Dikaliumsalz in Diphenylsulfon hergestellt wird.
• Im Inneren der Hohlfaser 1, die einen Außendurchmesser von etwa 900 nm und eine Wandstärke von etwa 50 nm aufweist, ist eine ersten Elektrode 4, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel durch PEEK mit eingearbeiteten leitfähigen Füllstoffen, vorliegend Ruß, gebildet, hieran anschließend eine photosensitive Absorberschicht 5, gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine photoaktive Doppelschicht mit TNF (2,4,7- Trinitrofluorenon) mit einem geeigneten Kunststoff-Bindemittel außen und PVCa (Poly- N-vinylcarbazol) mit Zusätzen innen, und eine zweite Elektrode 6 vorgesehen. Hierbei wird die zweite Elektrode 6 durch Kohlenstoffröhrchen gebildet. Dabei handelt es sich um sogenannte Nanoröhrchen aus Kohlenstoff mit einem Durchmesser von 5,0 nm und mehr. Bei diesen Durchmessern übertrifft die thermische Bewegungsenergie der Elektronen die Energielücke, d. h. die Röhrchen sind dann metallisch. Bei kleineren Durchmessern wirken die Nanoröhrchen halbleitend.
• Die Herstellung derartiger Nanoröhrchen aus Kohlenstoff erfolgt mit Hilfe der selektiven chemischen Gasphasenabscheidung, wobei ein Katalysator, insbesondere aus der Eisen- Gruppe des Periodensystems, d. h. z. B. Eisen, Kobalt, Nickel, verwendet wird. Hierbei wird das Substrat im Vakuum erhitzt und Methan darüber geleitet. Dieses dissoziiert, so dass sich die nunmehr freien Kohlenstoffatome zu den besagten Nanoröhrchen zusammensetzen können, wobei die Schichten zu Zylindern aufgerollt sind. Der Katalysator sorgt dafür, dass sich diese Nanoröhrchen an der gewünschten Stelle bilden. Derartige Nanoröhrchen haben ferner den Vorteil, dass sie neben der hohen elektrischen Leitfähigkeit eine besonders hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was den Wärmeausgleich oder die Wärmeabfuhr erleichtert.
• Die Hohlfaser 1 weist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nur in voneinander beabstandeten Bereichen eine faltenbalgartige Gestalt auf, wobei diese Bereiche durch Bereiche getrennt sind, in denen die Hohlfaser 1 einen im wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser aufweist. Die einzelnen Bereiche sind etwa gleich groß und jeweils etwa dreimal so lang wie der Außendurchmesser der Hohlfaser 1. Auch derartige Hohlfasern 1 haben noch die o. g. textilen Eigenschaften. Die Hohlfasern 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind zu einem Stoff verstrickt.
• Als drittes Ausführungsbeispiel, das nicht explizit in der Zeichnung dargestellt ist, dient eine Hohlfaser aus PEEK, deren Innen- und Außenflächen sulfoniert sind. Hierbei sind, stark schematisch angedeutet, auf den Außen- und Innenflächen Geruchsnerven angeordnet. Im Prinzip sind Durchmesseränderungen, um die Flexibilität der Hohlfaser bis hin zu textilen Eigenschaften zu erhöhen, nicht erforderlich, bieten aber deutliche Vorteile in Hinblick auf die Handhabbarkeit. Vorliegend wechseln sich Bereiche mit sich periodisch wiederholenden Durchmesseränderungen und Bereiche mit im Wesentlichen konstantem Durchmesser ab, wobei die Bereiche ohne Durchmesseränderung etwa zehnmal so groß sind wie die Bereiche mit Durchmesseränderung und die Bereiche mit Durchmesseränderung eine dem fünffachen des Außendurchmessers entsprechende Länge aufweisen. Der Außendurchmesser der Hohlfaser gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt 50 µm, die Wandstärke beträgt etwa 5 µm. Bezugszeichenliste 1 Hohlfaser
  2 Schicht
  3 Isolator
  4 Elektrode
  5 Absorberschicht
  6 Elektrode
  7 Stoff
  8 Rahmung
  

Claims (12)

1. Hohlfaser mit einem Außendurchmesser von maximal 1 mm, insbesondere Nano- oder Mikroröhrchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaser (1) zumindest bereichsweise einen sich in Längsrichtung ändernden Durchmesser aufweist.

2. Hohlfaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der Hohlfaser (1) Bereiche mit sich in Längsrichtung änderndem Durchmesser mit Bereichen ohne wesentliche Durchmesseränderung abwechseln.

3. Hohlfaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaser (1) zwei durch eine Zwischensicht (5) getrennte Elektroden (4, 6) aufweist, wobei beide Elektroden (4, 6) im Inneren der Hohlfaser (1) angeordnet sind.

4. Hohlfaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektrode (6) durch Kohlenstoff, insbesondere in Form von sehr kleinen, mobilen Partikeln, insbesondere Nanopartikeln, gebildet wird.

5. Hohlfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche feine Rauhigkeiten aufweist und selbstreinigend ist.

6. Hohlfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaser (1) aus einem transparenten Material, insbesondere aus einem Glas, einem transparenten Kunststoff, insbesondere einem Polymer, einem fluorierten Polymer, Zirkondioxid, insbesondere yttriumstabilisiert, Korund oder Keramik besteht.

7. Hohlfaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaser (1) innen und/oder außen sulfoniert ist.

8. Stoff, gekennzeichnet durch die Verwendung von Hohlfasern (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.

9. Stoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (1) verwebt oder verstrickt sind.

10. Verwendung einer Hohlfaser (1) oder eines Stoffes (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 als Solarzellenelement.

11. Verwendung einer Hohlfaser (1) oder eines Stoffes (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 als Sender und/oder Empfänger.

12. Verwendung einer Hohlfaser oder eines Stoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 als Grundmaterial für die Züchtung von Zellen, insbesondere Nervenzellen, außerhalb und/oder innerhalb des menschlichen und/oder tierischen Körpers.