Nanoporöses Aluminiumoxid

Werkstoffe 05. 04. 2017

– eine Plattform
für multifunktionale innovative Anwendungen

Von Petra Göring und Monika Lelonek, Halle

Unter Anwendung der anodischen Oxidation ist es möglich, aus Aluminium Membranen mit Poren hoher Ordnung im Durchmesser zwischen etwa 20 nm und 400 nm herzustellen. Durch Optimierung der Verfahrenstechniken können so Membranen mit einigen Dezimetern Fläche hergestellt werden. Die definiert einstellbaren Porendurchmesser bieten Einsatzmöglichkeit der Membranen für höchste Ansprüche zur Anwendung in der Medizin, für Brennstoff­zellen, Batterien oder zahlreiche weitere Technologien.

Nanoporous Alumina – A Platform for Multifunctional Innovative Applications

Using anodic oxidation, it is possible to form aluminium oxide membranes with highly-structured pores of diameter between 20 nm and 400 nm. By optimising the process conditions, membranes with area of several decimeters can be formed. Given that the pore diameter can be controlled, such membranes are suitable for use in the most demanding applications in medicine, in fuel cells, batteries and countless other technologies.

Winzige Dinge können große Probleme verursachen. Ein Beispiel hierfür ist Feinstaub in Großstädten, der sich über die Jahre in der menschlichen Lunge festsetzt. Vielleicht wird es bald möglich sein, dass Luft oder Blut von solch gesundheitsschädlichen Nanopartikeln, aber auch von Bakterien und Viren gereinigt werden kann. Im Bereich der so genannten Nano-Security wurden in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht, aber auch die Anforderung an Exaktheit, Trennschärfe und Sicherheit werden immer höher. Die SmartMembranes GmbH sieht hier ein großes Innovationspotential, insbesondere durch den Einsatz ihrer Produkte. Dr. ­Petra Göring und Monika Lelonek – zwei Chemikerinnen aus Halle – haben makro- und nanoporöse Membranen aus Silizium und Aluminiumoxid entwickelt, die kleinste Partikel exakt selektieren können. Weltweit einmalig ist ihr Know-how zur Herstellung derartiger Membranen.

Durch geordnete Membranstrukturen mit homogenen Porengrößen und offenen Porengängen ergeben sich Eigenschaften, die auch für industrielle Anwendungen von größtem Interesse sind. Neben der Filtration von Wasser, Luft oder anderen Stoffen, können die Membranen in der Sensorik, unter anderem im Umweltschutz, in der Raum- und Atemluftüberwachung oder der Arbeitsmedizin eingesetzt werden.

Im Bereich der Virus- ­beziehungsweise Sterilfiltration ermöglichen diese Materialien nicht nur die Trennung von Bakterien und Viren, sondern auch die Separation unterschiedlicher Viren voneinander (Hepatitis A und HIV Virus – Abb. 1, Tab. 1).

Abb. 1: Größenvergleich Virus – Bakterium

 

SmartMembranes, 2009 von Dr. Petra Göring und Monika Lelonek in Halle (Saale) gegründet, ist der weltweit einzige Hersteller von porösen hochgeordneten Materialien aus Aluminiumoxid und Silizium mit definiert einstellbaren Membraneigenschaften und Strukturparametern für eine Vielzahl innovativer Anwendungen. Ein weiteres wichtiges Standbein neben der Produktion der Membrane nach Kundenwunsch ist die Entwicklung von neuen Prozessen und Produkten rund um das Kerngeschäft. Die ­Standardprodukte SmartPor und MakroPor zeichnen sich durch eine hochgeordnete Struktur und eine enge Verteilung der Porendurchmesser unter 10 % aus. Die Strukturparameter, wie beispielsweise Porengröße, Gitterkonstante, Porosität und Membrandicke, können auf Nanometerebene nach Kundenwunsch eingestellt werden.

Das Anodisierverfahren ist der Standard der industriellen Oberflächenbehandlung zum Schutz – vor allem für Aluminium - gegen Alterung, Grundlage für die Färbung oder Funktionalisierung und ein perfektes Verfahren für die Massenproduktion. Es gibt mehr als tausend Patente zur Herstellung und dessen Oberflächenbehandlungen. Die Produktion von freistehenden nanoporösen Membranen mit gut kontrollierten Poren erfordert eine erweiterte technische Kontrolle. Diese Membranen sind durch eine hexagonal hoch geordnete Waben- oder kubische Struktur mit geringer Standard­abweichung der Porendurchmesser und dem Abstand zwischen den Poren definiert [1–2] (Abb. 2).

Abb. 2: Vergleich von Konkurrenzprodukten (links) mit den bei der SmartMembranes GmbH verfügbaren Produkten

 

Poröses Aluminiumoxid (PAO) - eine Keramik – wird mittels einem elektrochemischen Anodisierprozess aus reinem Aluminium gebildet, der die steuerbare Anordnung von außergewöhnlich dicht und regelmäßigen Nanoporen in einer planaren Membran ermöglicht. Dadurch hat PAO eine hohe Porosität, Nanoporen mit hohem Aspektverhältnis, Biokompatibilität und das Potenzial für eine hohe Empfindlichkeit und diverse Oberflächenmodifikationen [1]. Diese Eigenschaften machen das ungewöhnliche Material attraktiv für eine disparate Gruppe von Anwendungen. PAO ermöglicht weit verbreitete Anwendung in der Biotechnologie, Sensorik, Energy Harvesting und Metamaterialien aufgrund der Steuerbarkeit des ­Herstellungsprozesses. Die grundlegenden Mechanismen der Oxidschichtbildung sind inzwischen weitestgehend verstanden und beschrieben [3–10].

Entscheidend für das Ausbilden einer porösen Schicht ist die simultane Bildung und Auflösung von Aluminiumoxid. Das Entstehen gleichmäßiger und teilweise geordneter Oxidschichten kann durch die Feldliniendichte an der Porenbasis erklärt werden. Abbildung 3 zeigt die Oberfläche einer porösen Aluminiumoxidschicht, welche durch elektrolytische Oxidation hergestellt wurde.

Abb. 3: REM-Aufnahmen von nanoporösem Aluminiumoxid – Oberseite und Seitenansicht

 

Abb. 4: Wesentliche Strukturparameter und elektronenmikroskopische Aufnahmen der Ober- und Unterseite von SmartPor

 

In Abbildung 4 und Tabelle 2 sind die grundlegenden Strukturparameter der verfügbaren Standardprodukte SmartPor im Bereich hochgeordneten Aluminiumoxids zusammengefasst.

Die SmartMembranes GmbH ist ein Spin-Off des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle. Die am Standort – dem Technologie- und Gründerzentrum Halle – vorhandene Infrastruktur mit einer Vielzahl an Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen, wie die Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg, das Max-Plack Institut für Mikrostrukturphysik als auch das IMWS, ermöglichen eine enge Zusammenarbeit, Kooperation und Vernetzung.

Ziel des Unternehmens ist die Herstellung von Spezialprodukten, die aufgrund ihrer Einzigartigkeit ein breites Anwendungsportfolio ermöglichen, jedoch zum Teil aufgrund ihrer hohen Spezifität nur in Nischenmärkten Einsatz finden. Hier ergeben sich besondere Anforderungen für Marketing und Vertrieb, beispielsweise durch die Abschätzung nach Einsatzzwecken mit ausreichendem Wachstumspotential. Der Produktionsprozess ist sehr empfindlich und aufwendig, was sich in den Herstellkosten widerspiegelt. Allerdings sind die Eigenschaften der Membranen so überzeugend, dass sich viele Produkte damit erheblich verbessern oder überhaupt erst anbieten lassen und somit dieser Aufwand mehr als gerechtfertigt ist.

Mit eigenen Produktentwicklungen, die diese Membranen enthalten, kann SmartMembranes nachhaltig Marktführer bleiben. Es gibt derzeit auf dem Markt kein mit dem von der SmartMembranes GmbH produzierten Prozess vergleichbares Produkt. Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal ist, dass die Kunden die Strukturparameter nach ihren Wünschen und Bedürfnissen auswählen und zuschneiden können. Hinzu kommen die hohen Qualitätsmerkmale der produzierten Nanostrukturen, die diejenigen von bisher verfügbaren Vergleichsprodukten deutlich übertreffen.

Literatur

[1] Ralf B. Wehrspohn: Ordered Porous Nanostructures and Applications, Springer US, 2005

[2] V. Lehmann: The physics of macroporous silicon formation; Thin Solid Films 255 (1995), pp. 1–4

[3] K. Nielsch, J. Choi, K. Schwirn, R. B. Wehrspohn, U. Gösele: Self-ordering regimes of porous alumina: the 10 porosity rule; Nano letters, vol. 2 (2002), pp. 677-680

[4] H. Masuda, H. Asoh, M. Watanabe, K. Nishio, M. Nakao, T. Tamamura: Square and triangular nanohole array architectures in anodic alumina; Advanced Materials, vol. 13 (2001), pp. 189-192

[5] H. Masuda, K. Yada, A. Osaka: Self-ordering of cell configuration of anodic porous alumina with large-size pores in phosphoric acid solution; Japanese Journal of Applied Physics, vol. 37 (1998), p. L1340

[6] A. Li, F. Müller, A. Birner, K. Nielsch, U. Gösele: Hexagonal pore arrays with a 50–420 nm interpore distance formed by self-organization in anodic alumina; Journal of Applied Physics, vol. 84 (1998), pp. 6023-6026

[7] J. O‘sullivan, G. Wood: The morphology and mechanism of formation of porous anodic films on aluminium; Proceedings of the Royal Society of London; Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1970, pp. 511-543

[8] I. Mikulskas, S. Juodkazis, R. Tomasiūnas, J. G. Dumas: Aluminum oxide photonic crystals grown by a new hybrid method; Advanced Materials, vol. 13 (2001), pp. 1574-1577

[9] V. Parkhutik, V. Shershulsky: Theoretical modelling of porous oxide growth on aluminium; Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 25 (1992), p. 1258

[10] T. Sawitowski: Neue Nanokomposite: Goldcluster, Goldkolloide und Silizium in Aluminiumoxidmembranen; Struktur und Eigenschaften; Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Chemie - Anorganische Chemie, 1999

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Heinrich-Damerow-Straße 4, D-06120 Halle 

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