Eine Revolution: Nanotechnologie

Mit Nanopartikeln gefärbte Kristallschalen? Vielleicht haben Sie schon davon geträumt: Kristallschalen in Farbe! Tatsächlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, ein Quarzgefäß zu färben. Aber wussten Sie, dass die Technologie heute die Verwendung von Nanopartikeln dafür ermöglicht?

Was sind die Vorteile?

Jede Art der Färbung, durch Oberflächenbehandlung oder in Masse, bietet ein Spektrum verschiedener Farben. Das Ergebnis variiert je nach Methode, mit Effekten wie transparentem Schillern oder dunkleren, spiegelnden oder mattierten Farben. Jede dieser Methoden hat Vor- und Nachteile.

Der große Vorteil von Kristallschalen, die mit Nanopartikeln gefärbt sind, ist die Garantie einer Farbe, die sich weder mit dem Gebrauch noch mit der Zeit verschlechtert. Darüber hinaus erhalten wir eine spektrale Antwort, die in 3D zu sein scheint. Und die Palette der Nuancen ist endlos!

Versuchen wir, es besser zu verstehen...

Was bedeutet Nano?

In der Welt des Nano sind wir auf der Skala von einem Milliardstel Meter!

Wie Sie sich vorstellen können, wird das Nanometer (nm) verwendet, um Dimensionen auf atomarer Ebene auszudrücken. Aus dimensionaler Sicht befinden sich Nanopartikel zwischen sogenannter makroskopischer Materie und der atomaren oder molekularen Skala. Ihre Größe ist daher viel kleiner als die einer menschlichen Zelle.

Das Nanometer wird auch verwendet, um die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung auszudrücken, einschließlich des sichtbaren Spektrums, das zwischen 400 und 800 nm liegt.

Wie werden Kristallschalen gefärbt?

Der Boden dieser Schalen ist klar und transparent. Dann färben die Nanopartikel sie dank Übergangsmetallionen, hier Silber (Ag), in einer Quench. Ziel ist es, es insgesamt auszufällen, um eine deutliche Färbung zu erhalten. Es ist eine Ionenaustauschmethode, die auf der Substitution eines Quarzions durch ein Silberion beruht.

Die Färbung durch Ionenaustausch mit Silber erfordert viel Wissen auf dem Gebiet der Nanomaterialien. Dies besteht darin, Silberionen in die Quarzmatrix einzuführen, die dann aggregiert werden, um Metallnanopartikel zu bilden, die im selben Quarz enthalten sind.

Hybrid-Technologie

Diese Technologie ist komplex und hybrid, weil sie sowohl aus der klassischen Physik als auch aus Quantentheorien stammt. Es verwendet auch die Kristallfeldtheorie, die die elektronische Struktur von Übergangsmetallkomplexen beschreibt.

Wie funktioniert es?

Um das Phänomen zu erklären, nehmen wir an, dass Metallionen, wenn sie Licht erhalten, einen Teil der Energie absorbieren, die von Lichtphotonen getragen wird, wodurch Elektronen in ihren Oberflächenschalen angeregt werden. Diese Elektronen entwickeln sich dann von ihrem Grundenergiezustand zu höheren Energieniveaus. Abhängig von den Unterschieden in den Energieniveaus absorbiert das Ion eine bestimmte Frequenz des empfangenen Lichts und emittiert dann die Komplementärfarbe wieder.

Also so viele Energieunterschiede wie möglich, so viele Farben wie möglich!

Unveräußerliche Farben:

Wenn sie unveränderlich sind, ist es die Tatsache ihrer Herstellung! Sobald das Silber in die Matrix der Kristallschale eingeführt wird, wird diese in einem Königswasserbad (Mischung aus konzentrierter Salzsäure und konzentrierter Salpetersäure, um die sogenannten Edelmetalle aufzulösen) behandelt. Dann verteilt sich das Metall bei der nächsten Erwärmung gleichmäßig in der Mischung. Durch diese Erwärmung können sich die Silberatome etwas weiter in den Quarz bewegen. Wenn sie sich treffen, werden sie sich aneinander klammern: Dies ist das Stadium des kristallinen Wachstums, das nach und nach zur Bildung von Aggregaten von mehreren hundert oder sogar einigen tausend Metallatomen führt!

Wie bekommt man so präzise Farbmischungen?

Tatsächlich beeinflusst die Größe der Metallaggregate die Farbe. Werfen wir einen genaueren Blick auf ihre Strukturen und optischen Eigenschaften.

Hier haben wir nicht mehr eine atomare Absorption von Licht (Absorption durch Atome von Metallen oder Metallionen), sondern eine ganz bestimmte optische Absorption durch ganze Aggregate. Dies basiert auf zwei konkurrierenden Phänomenen:

• Es ist Metall, auch auf der Skala des unendlich Kleinen: Daher absorbiert es Licht durch Zwischenbänder (zwischen dem sogenannten Valenzband und dem sogenannten Leitungsband). Dies geschieht normalerweise bei ziemlich weit entfernten Wellenlängen in Richtung Ultraviolett (zwischen 10 und 400 Nanometern).

• Dies sind sehr kleine Aggregate: Daher ist die Anzahl der Atome auf der Oberfläche im Vergleich zur Anzahl der Atome im Inneren wichtig. Dies hat zur Folge, dass die Atome auf der Oberfläche mit ihren freien Elektronen eine Art Gas bilden, das in der Lage ist, mit jeder magnetischen Strahlung, in diesem Fall Licht, in Resonanz zu treten und eine sogenannte "Plasmonenresonanz" zu erzeugen.

Diese schönen Farben sind dank der Zusammenarbeit von Chemikern und Physikern möglich. Diese Allianz, die es ermöglicht hat, die Struktur von Materialien auf der Nanoskala zu verstehen und zu beherrschen, hat beispielsweise bereits die Glasindustrie revolutioniert.

Heute bricht dieser Vorstoß zu Gesteinsprüngegeln durch und verwandelt diese Hersteller in eine Branche, in der Hochtechnologie und Handwerkskunst miteinander verbunden sind.

Eine innovative und inspirierende Technologie im Dienste der Kreativität und des Menschen...