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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System zur Entwicklung einer superhydrophoben, einschichtigen Antireflexionsbeschichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Mehrheit der Solartechnologien hängt von der Verwendung einer flachen Glasabdeckung ab, die dazu dient, das Paneel vor der äußeren Umgebung zu schützen und dennoch in der Lage zu sein, Licht zu erhalten, indem sie es durch sich selbst hindurchgehen lässt und die Abkühlung des Paneels durch die kalte Luft verhindert, und die Verbesserung der Leistung des gesamten Solarmodulsystems, bei dem eine Antireflexionsbeschichtung auf dem Glas verwendet wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass zur Verbesserung der Stoßfestigkeit und Widerstandsfähigkeit des Solarpanel-Glases eine starke und bessere Schutzbeschichtung aufgetragen werden sollte. Im Allgemeinen sind die aufgetragenen Beschichtungen robust und langlebig, was durch eine mehrschichtige Antireflexionsbeschichtung (AR) erreicht wird, aber diese Beschichtung wird speziell für kürzere Wellenlängen und normalen Einfall verwendet, und diese Beschichtung ist nicht sehr hilfreich im Falle von Solarzellen. Daher besteht die Notwendigkeit, eine wetterfeste, breitbandige und weitwinklige AR-Folie zu entwickeln.
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Eine Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex und hoher Übertragungsrate sollte sowohl umweltfreundlich als auch korrosionsbeständig sein. Die Porosität der Beschichtung sollte verringert werden, was sich auf den Brechungsindex auswirkt und zu einer verbesserten optischen Übertragung führt. Die auf Siliziumdioxid basierenden AR-Beschichtungen können, wenn sie mit dem Sol-Gel-Verfahren aufgebracht werden, mit ihren hervorragenden Eigenschaften wie Homogenität, Stöchiometriekontrolle, Reinheit, einfacher Verarbeitung und der Fähigkeit, auch schwierige Oberflächen zu beschichten, wirklich von Vorteil sein. Der Brechungsindex kann durch eine höhere Porosität drastisch gesenkt werden, und es ist auch notwendig, die Porosität zu optimieren, damit die Beschichtung ihre Härte- und Festigkeitseigenschaften beibehalten kann, um eine langfristige Haltbarkeit zu gewährleisten. Nanoporöses Siliziumdioxid ist von Natur aus sehr hydrophil und aufgrund der zugänglichen Löcher, die die Adsorption von Inhaltsstoffen in der Umgebung fördern, ist es anfällig für Materialschäden. Einlagiges Graphen ist ein zweidimensionales Material, das von Natur aus sehr hydrophob ist und in der AR-Beschichtung verwendet werden kann, um die Auswirkungen der rauen Umgebung zu vermeiden.
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In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass ein System zur Entwicklung einer superhydrophoben, einschichtigen Antireflexionsschicht benötigt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System zur Entwicklung einer superhydrophoben einschichtigen Antireflexionsbeschichtung. Die vorliegende Offenlegung zielt darauf ab, eine einschichtige Antireflexionsbeschichtung mit Breitband- und Weitwinkeleigenschaften zusammen mit hydrophoben Fähigkeiten zu synthetisieren, um gegen raue Wetterbedingungen ankämpfen zu können. Die vorliegende Offenlegung veranschaulicht die Fähigkeit von Graphen, die Hydrophobie einer einlagigen Antireflexionsbeschichtung aus nanoporösem Siliziumdioxid zu verbessern. Die synthetisierte Struktur aus Graphen und Siliziumdioxid kann in hochwertigen Solargeräten eingesetzt werden, da sie hochtransparent ist und eine hydrophobe, nicht korrosive Antireflexbeschichtung (AR) aufweist. Die dünne Schicht der Siliziumdioxid-Beschichtung wird auf der Glasmatrix mit Hilfe der säurekatalysierten Sol-Gel-Technik gebildet und dann wird die Porosität in der Siliziumdioxid-Beschichtung durch die Kontrolle der Zugabe von Polyethylenglykol (PEG) mit verschiedenen Gewichten induziert, was zu einem weiten Winkel und einer breiteren Durchlässigkeit führt. Diese poröse Struktur innerhalb der Filmmatrix senkt den Brechungsindex, was die optische Transmission auf bis zu 98.19 % erhöht. Die Hydrophobie in der Struktur wird durch die Bildung einer Graphenschicht auf der Oberseite des Siliziumdioxidfilms erreicht. Dies ist ein neuartiger Ansatz zur Erzeugung von Hydrophobie in der Struktur. Die Analyse der Strukturen hat gezeigt, dass eine hydrophile Struktur entsteht, wenn das Glassubstrat nur mit einem nanoporösen Siliziumdioxidfilm bedeckt ist und der Kontaktwinkel des Wassertropfens weniger als 90° beträgt. Wenn hingegen eine Graphenschicht auf der Siliziumdioxidschicht gebildet wird, ist der Kontaktwinkel des Wassertropfens größer als 90°. Die synthetisierte AR-Beschichtung, die auf einem Hetero-Nanokomposit aus Graphen und Siliziumdioxid basiert, weist nachweislich eine starke Hydrophobie mit einem minimalen Verlust der optischen Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich und eine wetterfeste Eigenschaft auf. Die vorbereitete Struktur ist kostengünstig und stellt einen bedeutenden technologischen Fortschritt dar. Sie hat eine große industrielle Anwendung im Bereich der erneuerbaren Energien, da sie die Leistung des Solarmoduls erhöht und es vor den rauen Wetterbedingungen schützt.
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Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, ein System zur Entwicklung einer superhydrophoben einschichtigen Antireflexionsbeschichtung bereitzustellen. Das System umfasst: eine Siliziumdioxid-Herstellungseinheit zur Synthese von nanoporösem Siliziumdioxid unter Verwendung des Sol-Gel-Verfahrens; eine Graphenoxid-Herstellungseinheit zur Synthese der Lösung von Graphenoxid (GO); eine Syntheseeinheit zur Herstellung der Kern-Schale-Struktur aus Graphenoxid (GO) und Siliziumdioxid, bei der das Siliziumdioxid im Kern verbleibt, der von dem Graphenoxid (GO) umgeben ist; eine Einheit zur Behandlung der Wasserstoffumgebung, um das Graphenoxid (GO) in reduziertes Graphenoxid (RGO) umzuwandeln, da Graphenoxid (GO) von Natur aus hydrophil ist, während reduziertes Graphenoxid (RGO) hydrophob ist; und eine Charakterisierungseinheit zur Charakterisierung der optischen und hydrophoben Eigenschaften der hergestellten Kern-Schale-Struktur aus reduziertem Graphenoxid (RGO) und Siliciumdioxid sowie zur Optimierung der Syntheseparameter.
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Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein System zur Entwicklung einer superhydrophoben, einschichtigen Antireflexionsbeschichtung bereitzustellen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Entwicklung einer einschichtigen AR-Beschichtung mit Breitband- und Weitwinkeleigenschaften sowie superhydrophoben Eigenschaften.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Entwicklung von Hetero-Nanokompositen aus Graphen und Siliziumdioxid unter Verwendung mikrofluidischer Geräte.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist die Herstellung einer superhydrophoben Graphen/Siliciumdioxid-Hetero-Nanokomposit-Beschichtung auf einem Glassubstrat, bei der der Kontaktwinkel der Wassertröpfchen größer als 90° ist, wobei eine Lösung von reduziertem Graphenoxid (RGO) hergestellt wird, um der Oberfläche des Siliciumdioxids die Superhydrophobie zu verleihen.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Synthese einer superhydrophoben, einschichtigen Antireflexionsbeschichtung, die ein großes Potenzial für industrielle Anwendungen hat.
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Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung weiter zu verdeutlichen, wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Figuren dargestellt ist. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung ihres Umfangs zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den begleitenden Figuren beschrieben und erklärt werden.
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Figurenliste
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Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:
- 1 ein Blockdiagramm eines Systems zur Entwicklung einer superhydrophoben Einschicht-Antireflexionsbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
- 2A und 2B die nanoporöse Siliziumdioxid-Beschichtung auf einem Glassubstrat und die superhydrophobe Graphen/Siliziumdioxid-Hetero-Nanokomposit-Beschichtung auf einem Glassubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen; und
- 3 die hydrophilen GO/Siliciumdioxid-Kern-Schale-Heteronanokomposite bzw. die hydrophoben RGO/Siliciumdioxid-Kern-Schale-Heteronanokomposite gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren in Form der wichtigsten Schritte, die zum besseren Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung beitragen. Außerdem wird die Konstruktion der Vorrichtung beschrieben, Eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung können in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sein, und die Figuren können nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung von Bedeutung sind, um die Figuren nicht mit Details zu verdecken, die für Fachleute mit normalen Kenntnissen der Technik, die von der vorliegenden Beschreibung profitieren, leicht erkennbar sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
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Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.
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Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Formulierungen in dieser Beschreibung auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
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Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte einschließt, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. In ähnlicher Weise können eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten mit dem Zusatz „umfasst ... eine“ versehen sein. schließt ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten nicht aus.
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Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Entwicklung einer superhydrophoben, einschichtigen Antireflexionsbeschichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das System 100 umfasst eine Siliziumdioxid-Präparationseinheit 102 zur Synthese von nano-porösem Siliziumdioxid mittels Sol-Gel-Verfahren.
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In einer Ausführungsform wird eine Graphenoxid-Zubereitungseinheit 104 für die Synthese der Graphenoxidlösung (GO) verwendet, die für die Hydrophobierung der Silika-Oberfläche eingesetzt wird.
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In einer Ausführungsform wird eine Syntheseeinheit 106 zur Herstellung der Kern-Schale-Struktur aus Graphenoxid (GO) und Siliciumdioxid verwendet, wobei das Siliciumdioxid im Kern verbleibt und vom Graphenoxid (GO) umgeben ist.
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In einer Ausführungsform wird eine Wasserstoffbehandlungseinheit 108 zur Behandlung der vorbereiteten Kern-Schale-Struktur aus Graphenoxid (GO) und Siliziumdioxid in einer Wasserstoffumgebung (H2) verwendet, um das Graphenoxid (GO) in reduziertes Graphenoxid (RGO) umzuwandeln.
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In einer Ausführungsform wird eine Charakterisierungseinheit 110 zur Charakterisierung der optischen und hydrophoben Eigenschaften der hergestellten Kern-Schale-Struktur aus reduziertem Graphenoxid (RGO) und Siliziumdioxid sowie zur Optimierung der Syntheseparameter verwendet.
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In einer Ausführungsform wird ein Polyethylenglykol (PEG) mit einem Molekulargewicht von 4000 verwendet, um die Porosität in das Siliziumdioxid einzubringen, wodurch die Weitwinkel- und Breitbanddurchlässigkeit verbessert wird.
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In einer Ausführungsform wird die Kern-Schale-Struktur aus Graphenoxid (GO) und Siliziumdioxid mithilfe einer mikrofluidischen Vorrichtung synthetisiert.
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In einer Ausführungsform wird das Graphenoxid (GO) in das reduzierte Graphenoxid (RGO) umgewandelt, da das Graphenoxid (GO) von Natur aus hydrophil ist und das reduzierte Graphenoxid (RGO) von Natur aus hydrophob ist.
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In einer Ausführungsform wird eine kontrollierte Synthese von Graphen-Siliciumdioxid-Nanokompositen unter Verwendung eines mikrofluidischen Kanals durchgeführt, wobei die Größe und Form der Partikel durch Variieren der Abmessungen des mikrofluidischen Kanals gesteuert wird und wobei eine gewünschte Morphologie der synthetisierten Struktur von Kern-Schale-Hetero-Nanokompositen durch Anwendung des Konzepts des Mehrkanalmischens erhalten wird.
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In einer Ausführungsform hat die entwickelte Antireflexbeschichtung auf der Basis von reduziertem Graphenoxid und Siliziumdioxid-Hetero-Nanokompositen eine starke Hydrophobie und bietet einen minimalen Verlust an optischer Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich bei gleichzeitiger Wetterbeständigkeit.
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2A und 2B zeigen die nanoporöse Siliziumdioxid-Beschichtung auf einem Glassubstrat und die superhydrophobe Graphen/Siliziumdioxid-Hetero-Nanokomposit-Beschichtung auf einem Glassubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die synthetisierte Heterostruktur aus Graphen und nanoporösem Siliziumdioxid dient der Verbesserung der Leistung von Solarzellen, wobei die hergestellte Struktur hochtransparent ist und eine hydrophobe, nicht korrosive Antireflexionsbeschichtung aufweist.
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Zunächst wird eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid auf der Glasmatrix mit Hilfe der säurekatalysierten Sol-Gel-Technik hergestellt. Die Porosität des hergestellten Siliziumdioxids wird durch die kontrollierte Zugabe von Polyethylenglykol (PEG) mit einem Molekulargewicht von 4000 erzeugt. Die Einführung von Porosität in das Siliziumdioxid verbessert die Weitwinkel- und Breitbanddurchlässigkeit, wobei der Brechungsindex des Siliziumdioxids gesenkt wird, was zu einer Erhöhung der optischen Transmission führt. Es hat sich gezeigt, dass eine optische Durchlässigkeit von 98,19 % erreicht wurde.
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Um die Hydrophobie zu erreichen, wird eine Schicht aus Graphenoxid (GO) auf der Oberseite einer nanoporösen Siliziumdioxidschicht gebildet, was ein neuer Ansatz ist. Die vorbereitete Kern-Schale-Struktur aus GO und Siliziumdioxid wird mit einer mikrofluidischen Vorrichtung hergestellt, wobei das Siliziumdioxid im Kern verbleibt, der von der dünnen GO-Schicht umgeben ist. Die vorbereitete Kern-Schale-Struktur wird dann mit Wasserstoff behandelt, um das GO in reduziertes Graphenoxid (RGO) umzuwandeln.
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Die Synthese der Graphen-Siliziumdioxid-Nanokomposite erfolgt auf kontrollierte Weise, wobei die Größe und Form der Partikel durch Variation der Abmessungen der mikrofluidischen Kanäle gesteuert wird. Außerdem wird das Konzept der Mehrkanalmischung eingesetzt, um die gewünschte Morphologie der Kern-Schale-Hetero-Nanokomposite zu erreichen. Dieser Syntheseansatz wird verwendet, um die Kern- und Schalenarchitektur durch die wechselnde Reihenfolge der Durchmischung der Reaktanten im Mikrokanal zu steuern. Es zeigt sich, dass die Verringerung der Dicke der hydrophoben RGO-Schale zu einem Verlust der optimalen Transparenz führt, aber die superhydrophobe Eigenschaft beibehält.
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3 zeigt die hydrophilen GO/Siliciumdioxid-Kern-Schale-Heteronanokomposite bzw. die hydrophoben RGO/Siliciumdioxid-Kern-Schale-Heteronanokomposite gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In der figur (A) ist zu sehen, dass das nanoporöse Siliziumdioxid von der Graphenschicht umgeben ist, und in dieser Abbildung ist auch zu sehen, dass das Graphenoxid von Natur aus hydrophil ist. Andererseits ist in figur (B) zu sehen, dass nach der Behandlung der Kern-Schale-Struktur in figur (A) mit einer Wasserstoffumgebung und der Umwandlung des GO in RGO die Struktur hydrophob wird, wobei in dieser Abbildung deutlich zu sehen ist, dass das RGO von Natur aus hydrophob ist.
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Der 100-fache Abriebhärtetest der vorbereiteten RGO/nano-porösen Siliziumdioxidbeschichteten AR-Beschichtung ergab einen signifikanten Van-der-Waals-Kontakt zwischen dem porösen Siliziumdioxidfilm und der Schicht aus reduziertem Graphenoxid. Im Test der verlängerten Säure, ist es zu sehen, dass die vorbereitete Beschichtung für einen langen Zeitraum haltbar ist, weil die hydrophobe Beschichtung die rauen Wetterbedingungen zusammen mit der Aufrechterhaltung der inhärenten Weitwinkel-und Breitband-Durchlässigkeit widerstehen.
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Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Außerdem, Die Handlungen eines Flussdiagramms müssen nicht in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Handlungen ausgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
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Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Ein System zur Entwicklung superhydrophober, einschichtiger Antireflexionsbeschichtungen
- 102
- Eine Einheit zur Herstellung von Siliziumdioxid.
- 104
- Eine Einheit zur Herstellung von Graphenoxid
- 106
- Eine Syntheseeinheit
- 108
- Eine Wasserstoffbehandlungseinheit
- 110
- Eine Einheit zur Charakterisierung
- 202
- Wassertröpfchen
- 204
- Nano-poröse Siliziumdioxid-Beschichtung
- 206
- Glassubstrat
- 208
- RGO/Siliziumdioxid-Beschichtung
- 302
- Graphenoxid-Schicht
- 304
- Nanoporöses Siliziumdioxid
- 306
- Reduzierte Graphenoxid-Schicht
