SCHOTT solutions Nr. 1/2014 > Nanoporöses Glas

Foto: SCHOTT/H.-J. Schulz

Poröse Power


Mit CoralPor™ 1000 und CoralPor™ 2000 haben SCHOTT Forscher ein poröses Glasprodukt entwickelt, das Potenzial für viele Branchen bietet.


Thomas H. Loewe

Sie sind unscheinbar, aber wichtig: In Labors auf der ganzen Welt spüren Referenzelektroden einzelne Teilchen unter Billionen anderen auf. Als solche sind sie unweigerlich ein wichtiger Bestandteil fast aller elektrochemischen Messmethoden. Um die Referenzflüssigkeit in diesen Elektroden von der Probe zu trennen, werden winzige poröse Stababschnitte eingesetzt. Dafür bietet SCHOTT jetzt mit CoralPor™ 1000 eine neue Lösung an: ein nano­poröses Glas. Es verbessert nicht nur die Messungen, sondern eignet sich für Anwendungen weit über das Labor hinaus.
Das nanoporöse Glas CoralPor™ (Bild oben rechts) verfügt über ein breites Spektrum potentieller Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise im Bereich Elektro­chemie, Chromatografie (links) und für hitzebeständige Beschichtungen auf Raumfahrzeugen (rechts). Foto links: Novasep, Foto rechts: Thinkstock
Unter einem Rasterelektronenmikroskop erinnert CoralPor™ an die Strukturen einer Koralle, die dem gläsernen Produkt auch den Namen gegeben haben: Zahlreiche Mikroporen und Kanälchen durchziehen das Material. Das korallenartige Gerüst entsteht durch einen besonderen Herstellungsprozess: Geschmolzenes Borosilikatglas wird schnell abgeschreckt und in seine Phasen getrennt. Die einzelnen Glasbestandteile entmischen sich also, und es entstehen eine Natrium-Boratphase und eine Silikatphase. Spezielle Chemikalien lösen schließlich die Natrium-Boratphase aus dem Glas heraus. Dadurch entsteht eine zusammenhängende Struktur mit offener Porosität. Das innovative Glas ist derzeit in zwei Produktvarianten verfügbar: CoralPor™ 1000 wird in der Regel für den Einsatz in der Elektrochemie, als Trockenmittel, für Beschichtungen oder als Komponente in Geräten für die Medizintechnik, in der Luft- und Raumfahrt, Militäranwendungen sowie in der Öl- und Gasindustrie eingesetzt. CoralPor™ 2000 weist größere Poren zwischen 40 und 300 Nanometern auf und wird in der Chromatografie als Trennmaterial oder als Synthesesubstrat verwendet. Entwickelt wurden beide CoralPor™ Produkte unter der Leitung von Dr. William James, Supervisor der Werkstoffentwicklung bei SCHOTT Nordamerika. „Unser Ziel war, einfach gesagt, ein poröses Glas zu entwickeln, das eine hohe chemische und mechanische Stabilität verspricht”, sagt James.

Die extreme Stabilität wird bei einem Beispiel besonders deutlich: „CoralPor™ kann sogar als Schlüsselelement für hitzebeständige Beschichtungen auf Raumfahrzeugen genutzt werden“, sagt Ed Hart, Senior Manager Market Development und Innovation bei SCHOTT Nordamerika. Da das Material zu 95 bis 97 Prozent aus Siliziumdioxid besteht, weist es einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dieser macht das Glas sehr robust für Wärmeschutz-Anwendungen und sorgt dafür, dass es sich nur minimal ausdehnt. Gerade bei hohen Temperaturen ist das ein großer Vorteil – und macht CoralPor™ zu einem „universell” anwendbaren Material. Hart führt einen weiteren Pluspunkt auf: „Die vielen winzigen Poren in der Größenordnung von vier Nanometern sind ideal, um CoralPor™ 1000 für Referenzelektroden und andere Laboranwendungen einzusetzen.” Tatsächlich waren es vor allem letztere Anwendungen, die als Inspirationsquelle für die Entwicklung von CoralPor™ 1000 dienten.

Seit vielen Jahren wurden die meisten nanoporösen Glasstäbe von nur einem Lieferanten gefertigt. Doch kürzlich wurde die Produktion eingestellt – sehr zum Leidwesen der wissenschaftlichen Gemeinschaft: Allein zwischen 2012 und 2013 berichteten mehr als 70 Veröffentlichungen in verschiedenen Fachzeitschriften explizit vom Gebrauch der Referenzelektroden – mit eben diesen Glasstäben der inzwischen eingestellten Marke. „Wir waren tatsächlich sehr besorgt“, sagt Philippe Buhlmann, Professor für Chemie und Chemische Physik an der Universität von Minnesota. „Aber jetzt sind viele Wissenschaftler erleichtert, dass SCHOTT verstärkt mit seiner CoralPor™ Produktlinie diese Lücke schließen will”, so Buhlmann. CoralPor™ hat auch das Vertrauen bei Anwendern der Chromatographie gewonnen – einem Trennverfahren, mit dem biotechnologische Produkte gereinigt werden. Für diese Methode benötigen Forscher Materialien, die bis zu einem pH-Wert von 14 beständig sind, um dem Reinigungsprozess zwischen den Chromatografie-Zyklen standzuhalten. „Bislang blieben konventionelle, glasbasierte Medien nur in einem pH-Bereich von 2 bis 8 chemisch stabil”, sagt James. Ein weiterer Pluspunkt von CoralPor™: Durch die spezielle Oberflächenstruktur lässt sich die Menge an abgetrennten Zielmolekülen pro Zyklus erhöhen.

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„Das Besondere an CoralPor™ ist, dass wir das Material an viele der spezifischen Bedürfnisse unserer Kunden anpassen können”, sagt Hart. Die SCHOTT Forscher können das Material maßschneidern – auf eine Vielzahl von Geometrien, Oberflächen und Porengrößen. Diese Flexibilität macht auch deutlich, dass CoralPor™ über ein breites Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten verfügt, die sich jetzt noch gar nicht absehen lassen: „Eine Richtung, die wir verfolgen, ist: die Oberfläche von CoralPor™ weiter zu ver­größern. Das erhöht wiederum die Fähigkeit des Materials als ­Absorptionsmaterial und Synthese-Substrat”, sagt James. Hitzebeständige Beschichtungen für Turbinen und Motoren sind eine weitere Möglichkeit. All dies zeigt: Den Experten von SCHOTT werden die Ideen so schnell nicht ausgehen. <
Quelle: SCHOTT/TransQuer