DE112004000328T5

DE112004000328T5 - Eingekapselte Nanopartikel zur Absorption elektromagnetischer Energie im Ultraviolettbereich

Info

Publication number: DE112004000328T5
Application number: DE112004000328T
Authority: DE
Inventors: Manfred R. Lincoln Kuehnle; Hermann Wayland Statz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2006-06-22
Also published as: WO2005023535A2; MXPA05009074A; US20050087102A1; CN1780728A; JP2006524738A; CA2557847A1; WO2005023535A3

Abstract

Ultraviolettstrahlungsabsorbierendes Partikel, umfassend:
(a) einen Kern; und
(b) eine Schale,
wobei die Schale den Kern einkapselt; und
wobei entweder der Kern oder die Schale ein leitfähiges Material umfasst,
wobei das Material einen negativen Realteil der Dielektrizitätskonstante in einem vorherbestimmten Spektralband aufweist; und
wobei entweder
(i) der Kern ein erstes leitfähiges Material umfasst und die Schale ein zweites leitfähiges Material umfasst, welches von dem ersten leitfähigen Material verschieden ist;
oder
(ii) entweder der Kern oder die Schale ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 umfasst.

Description

ZUGEHÖRIGE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der Vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/449,887, angemeldet am 25. Februar 2003. Die gesamte Lehre der obigen Anmeldung ist durch Bezugnahme hier miteinbezogen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die selektive Absorption elektromagnetischer Strahlung durch kleine Partikel und insbesondere feste und flüssige Verbundmaterialien, welche in einem ausgewählten vorherbestimmten Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums, z.B. im Ultraviolettband, stark absorbieren, während sie außerhalb dieses Bereichs im Wesentlichen transparent bleiben.
Die Wirkung eines Kontakts der meisten organischen und einiger anorganischer Stoffe mit ultravioletter Strahlung kann schädlich sein. Um Schutz zu erhalten, werden Sonnenabschirmungen, Schirme, Kleidung, Fenster, Lotionen und Cremes verwendet.

Ein Schutz von Haut gegen ultraviolette Strahlung ist in der Vergangenheit mit Sonnenlotionen erreicht worden, welche organische Stoffe, wie z.B. Melanin, Benzophenon, Patimate-O^®, Avobenzon oder anorganische Verbindungen, wie z.B. Zinkoxid oder Titandioxid enthalten. In vielen Fällen sieht, während die Sonnenlotion optisch transparent erscheint, die Aufbringung merklich weiß aus.

Eine andere Art von UV-absorbierendem Material ist in den US-Patenten 5,534,056 und 5,527,386 beschrieben. Dieses Material weist Siliziumnanopartikel auf, welche UV-Strahlung aufgrund der Phänomene von Bandlückenelektronenübergängen und ebenso „Fangen" elektromagnetischer Wellen durch innere Totalreflexion absorbieren. Während es UV-Schutz liefert, absorbiert Silizium unglücklicherweise auch geringfügig im blauen Bereich des sichtbaren Spektralbands und verursacht so eine gelbe Farbtönung auf der Aufbringungsfläche, wie einer menschlichen Haut.

Da sich Sonnenlotionen in ultraviolettem (UV) Licht zersetzen und/oder sich schnell im Salzwasser abwaschen, besteht der Bedarf an neuen Materialien, welche in UV-Licht stabil sind und welche im sichtbaren Spektrum transparent sind. Es ist auch wünschenswert, den Grad an Schutz zu erhöhen, welchen momentan verfügbare Zusammensetzungen bieten können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung ein ultraviolettstrahlungsabsorbierendes Material, welches aus einer äußeren Schale und einem inneren Kern ausgebildete Partikel umfasst, wobei entweder der Kern oder die Schale ein leitfähiges Material umfasst. Das leitfähige Material weist in einem vorherbestimmten Spektralband einen negativen Realteil der Dielektrizitätskonstante auf. Weiterhin entweder (i) umfasst der Kern ein erstes leitfähiges Material, und die Schale umfasst ein zweites leitfähiges Material, welches vom ersten leitfähigen Material verschieden ist; oder (ii) entweder der Kern oder die Schale umfasst ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8. In anderen Ausführungsbeispielen ermöglicht es bei einem gegebenen bestimmten Material und für einen festen Durchmesser des inneren Kerns ein Auswählen einer bestimmten Schalendicke, die Spitzenresonanz und somit die Spitzenabsorption über das Spektrum zu verschieben.

Sonnencremes, UV-Blocker, Filter, Tinte, Farben, Lotionen, Gele, Filme, Textilien, Wundverbandsmaterialien und andere Feststoffe, welche gewünschte ultraviolettstrahlungsabsorbierende Eigenschaften aufweisen, können unter Verwendung des vorgenannten Materials hergestellt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genaueren Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung ersichtlich, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, bei welchen sich in den verschiedenen Ansichten ähnliche Bezugszeichen auf die gleichen Teile beziehen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird eine Betonung auf eine Darstellung der Grundlagen der Erfindung gelegt.

1 ist eine Darstellung der Realteile der Dielektrizitätskonstanten von TiN, HfN und ZrN als Funktionen der Wellenlänge.

2 ist eine dreidimensionale Darstellung, welche einen Absorptionsquerschnitt von ZrN-Kugeln als eine Funktion von sowohl Radius als auch Wellenlänge zeigt.

3 ist eine dreidimensionale Darstellung, welche die Absorption einer bestimmten Menge von TiN-Kugeln als eine Funktion von sowohl Radius als auch Wellenlänge zeigt.

4 ist eine Darstellung eines Absorptionsquerschnitts von TiN-Kugeln in drei verschiedenen Medien mit verschiedenen Brechungsindizes.

5 ist eine Darstellung von Absorptions(durchgezogen)- und Extinktions(gestrichelt)-Querschnitten von Kugeln mit Titannitridkernen und Silberschalen.

6 ist eine Darstellung von Absorptions(durchgezogen)- und Extinktions(gestrichelt)-Querschnitten von Kugeln mit ZrN-Kernen und Silberschalen.

7 ist eine Darstellung von Absorptions(durchgezogen)- und Extinktions(gestrichelt)-Querschnitten von Kugeln mit ZrN-Kernen und Aluminiumschalen.

8 ist eine Darstellung von Absorptions(durchgezogen)- und Extinktions(gestrichelt)-Querschnitten von Kugeln mit Aluminiumkernen und TiO₂-Schalen im UV-Bereich.

9 ist eine Darstellung einer Lichttransmission als eine Funktion einer Wellenlänge durch eine Beschichtung, welche Kugeln mit Al-Kernen und TiO₂-Schalen mit unterschiedlicher Dicke mit dem angezeigten Ladefaktor enthält.

10 ist eine Darstellung einer Lichttransmission als eine Funktion einer Wellenlänge durch eine Beschichtung, welche Kugeln mit Al-Kernen und TiO₂-Schalen mit der angezeigten Dicke enthält, für einen Bereich von Ladefaktoren.

11 ist eine Darstellung einer Lichttransmission als eine Funktion einer Wellenlänge durch eine Beschichtung, welche Kugeln mit Al-Kernen und Si-Schalen mit unterschiedlicher Dicke mit dem angezeigten Ladefaktor enthält.

12 ist eine Darstellung von Absorptions(durchgezogen)- und Extinktions(gestrichelt)-Querschnitten von Kugeln mit Al-Kernen und Aluminiumoxidschalen mit unterschiedlicher Dicke.

13 ist eine Darstellung von Absorptions(durchgezogen)- und Extinktions(gestrichelt)-Querschnitten von Kugeln mit Al-Kernen und Silberschalen mit unterschiedlicher Dicke.

14 ist eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens, welches verwendet werden kann, um die Partikel der vorliegenden Erfindung herzustellen.

15 zeigt ein detailliertes schematisches Schaubild des Nanopartikelherstellungssystems.

16 stellt die Schritte der Partikelbildung dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Vor einer Erörterung der Details bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bestimmte hier verwendete Begriffe wie folgt definiert:
Ein elektrischer Leiter ist ein Stoff, durch welchen ein elektrischer Strom mit einem kleinen Widerstand fließt. Die Elektronen und andere freie Ladungsträger in einem Festkörper (z.B. einem Kristall) können nur bestimmte erlaubte Energie werte besitzen. Diese Werte bilden die Niveaus eines Energiespektrums eines Ladungsträgers. In einem Kristall bilden diese Niveaus Gruppen, welche als Bänder bekannt sind. Die Elektronen und andere freie Ladungsträger weisen Energien in mehreren Bändern auf, oder besetzten die Energieniveaus in mehreren Bändern. Wenn eine Spannung an einen Festkörper angelegt wird, neigen Ladungsträger dazu, zu beschleunigen und somit eine höhere Energie zu erlangen. Jedoch muss ein Ladungsträger, z.B. ein Elektron ein höheres Energieniveau für sich zur Verfügung haben, um seine Energie wirklich zu erhöhen. In elektrischen Leitern, z.B. Metallen ist das oberste Band nur teilweise mit Elektronen gefüllt. Dies ermöglicht es den Elektronen, durch Besetzen höherer Niveaus des obersten Bands höhere Energiewerte zu erreichen und sich daher frei zu bewegen. Reine Halbleiter haben ihr oberstes Band gefüllt. Halbleiter werden durch Verunreinigungen, welche einige Elektronen aus dem vollen obersten Band entfernen oder einige Elektronen zum ersten leeren Band beitragen, zu Leitern. Beispiele von Metallen sind Silber, Aluminium und Magnesium. Beispiele von Halbleitern sind Si, Ge, InSb und GaAs.

Ein Halbleiter ist ein Stoff, in welchem ein leeres Band von einem gefüllten Band durch eine als Bandlücke bekannte Energieentfernung getrennt ist. Zum Vergleich gibt es in Metallen keine Bandlücke oberhalb des besetzten Bands. In einem typischen Halbleiter überschreitet die Bandlücke ungefähr 3,5 eV nicht. In Halbleitern kann die elektrische Leitfähigkeit durch Hinzufügen sehr kleiner Mengen von als Dotierstoffen bekannten Verunreinigungen um Größenordnungen beeinflusst werden. Die Wahl von Dotierstoffen steuert die Art von freien Ladungsträgern. Die Elektronen einiger Dotierstoffe können in der Lage sein, thermische Energie zu erlangen und durch Verwenden der Niveaus des obersten Bands in ein sonst leeres „Leitungsband" überzugehen. Andere Dotierstoffe stellen die notwendigen unbesetzten Energieniveaus bereit und ermöglichen es so den Elektronen eines sonst vollen Bands, das Band zu verlassen und sich in den so genannten Akzeptordotierstoffen zu befinden. In solchen Halbleitern sind die freien Ladungsträger positiv geladene „Löcher" anstelle negativ geladener Elektronen. Halbleitereigenschaften werden von den Elementen der Gruppe IV und ebenfalls von Verbindungen, welche Elemente der Gruppen III und V oder II und VI umfassen, gezeigt. Beispiele sind Si, AlP und InSb.

Ein dielektrisches Material ist ein Stoff, welcher ein schlechter Elektrizitätsleiter ist und daher als ein elektrischer Isolator dienen kann. In einem Dielektrikum ist das Leitungsband vollständig leer, und die Bandlücke ist groß, so dass Elektronen keine höheren Energieniveaus erlangen können. Daher gibt es, falls überhaupt, wenige freie Ladungsträger. In einem typischen Dielektrikum ist das Leitungsband vom Valenzband durch eine Lücke von mehr als ungefähr 4 eV getrennt. Beispiele umfassen Porzellan (keramisches Material), Mika, Glas, Kunststoffe und die Oxide verschiedener Metalle, z.B. TiO₂. Eine wichtige Eigenschaft von Dielektrika ist ein manchmal verhältnismäßig hoher Wert einer Dielektrizitätskonstante.

Eine Dielektrizitätskonstante ist die Eigenschaft eines Materials, welche seine relative elektrische Polarisierbarkeit bestimmt und auch die Lichtgeschwindigkeit in jenem Material beeinflusst. Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ist annährend umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Dielektrizitätskonstante. Eine niedrige Dielektrizitätskonstante wird zu einer hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit führen, und eine hohe Dielektrizitätskonstante wird zu einer viel langsa meren Ausbreitungsgeschwindigkeit führen. (In mancherlei Hinsicht ist die Dielektrizitätskonstante analog zur Viskosität von Wasser.) Im Allgemeinen ist die Dielektrizitätskonstante eine komplexe Zahl, wobei der Realteil Reflexionsoberflächeneigenschaften angibt, und wobei der Imaginärteil den Radiofrequenzabsorptionskoeffizienten angibt, ein Wert, welcher die Eindringtiefe einer elektromagnetischen Welle in Medien bestimmt.

Brechung ist das Abwinkeln der Normalen zur Wellenfront einer sich ausbreitenden Welle beim Übergang von einem Medium zu einem anderen, in welchem die Ausbreitungsgeschwindigkeit verschieden ist. Brechung ist der Grund dafür, dass Prismen weißes Licht in seine Bestandsfarben trennen. Dies tritt auf, da verschiedene Farben (d.h. Frequenzen oder Wellenlängen) von Licht sich im Prisma mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen, was zu einem verschiedenen Ablenkungsbetrag der Wellenfront für verschiedene Farben führt. Der Betrag der Brechung kann durch eine als Brechungsindex bekannte Größe gekennzeichnet werden. Der Brechungsindex ist direkt proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante.

Innere Totalreflexion. An einer Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien mit verschiedenen Brechungsindizes (Glas und Wasser) wird Licht, welches von der Seite mit einem höheren Brechungsindex kommt, teilweise reflektiert und teilweise gebrochen. Oberhalb eines bestimmten kritischen Einfallswinkels wird kein Licht über die Grenzfläche gebrochen und innere Totalreflexion wird beobachtet.

Plasmon(Fröhlich)-Resonanz. Wie hier verwendet, ist Plasmon(Fröhlich)-Resonaz ein Phänomen, welches auftritt, wenn Licht auf eine Oberfläche eines leitfähigen Materials, z.B. die Partikel der vorliegenden Erfindung, einfällt. Wenn Resonanzbedingungen erfüllt sind, ist die Lichtintensität in einem Partikel viel größer als außerhalb. Da elektrische Leiter, z.B. Metalle oder Metallnitride elektromagnetische Strahlung stark absorbieren, werden Lichtwellen bei oder nahe bei bestimmten Wellenlängen resonant absorbiert. Dieses Phänomen wird Plasmon-Resonanz genannt, da die Absorption auf der Resonanzenergieübertragung zwischen elektromagnetischen Wellen und der Mehrzahl freier Ladungsträger beruht, welche als Plasmon bekennt ist. Die Resonanzbedingungen werden durch die Zusammensetzung eines leitfähigen Materials beeinflusst.

Einleitende Information zur Fröhlich(Plasmon)-Resonanz

Die Eigenschaft, welche hier von Wichtigkeit ist, ist die Tatsache, dass in vielen Leitern der Realteil der Dielektrizitätskonstante für ultraviolette und optische Frequenzen negativ ist. Der Ursprung dieses Effekts ist bekannt: Freie Leitungselektronen in einem elektrischen Hochfrequenzfeld zeigen eine oszillierende Bewegung. Für ungebundene Elektronen ist diese Elektronenbewegung um 180° außer Phase mit dem elektrischen Feld. Dieses Phänomen ist bei vielen Resonatoren wohlbekannt, sogar bei einfachen mechanischen. Ein mechanisches Beispiel wird durch die Bewegung eines Tennisballs bereitgestellt, welcher durch ein schwaches Gummiband an einer sich schnell hin und her bewegenden Hand angebracht ist. Wenn sich die Hand bei ihrer maximalen positiven Auslenkung auf einer gedachten X-Achse befindet, wäre der Tennisball bei seiner maximalen negativen Auslenkung auf der gleichen Achse und umgekehrt.

Die schwach gebundenen oder ungebundenen Elektronen in einem elektrischen Hochfrequenzfeld wirken im Wesentlichen auf die gleiche Art. Eine elektrische Polarisierung, d.h. ein Maß der Ansprechempfindlichkeit von Elektronen auf ein äußeres Feld ist daher negativ. Da in der elementaren Elektrostatik bekannt ist, dass die Polarisierung proportional zu ε-1 ist, wobei ε eine so genannte „Dielektrizitätskonstante" ist (eigentlich eine Funktion einer Wellenlänge oder Frequenz eines äußeren Felds), folgt, dass ε kleiner als 1 sein muss – es kann tatsächlich sogar negativ sein.

Wie oben erwähnt ist die Dielektrizitätskonstante eine komplexe Zahl proportional zum Brechungsindex. In Tabellen von optischen Konstanten von Metallen findet man üblicherweise die Real- und Imaginärteile des Brechungsindex, N und K, als eine Funktion einer Wellenlänge tabelliert. Die Dielektrizitätskonstante ist das Quadrat des Brechungsindex, oder εreal + jεimag = (N + jK)2 = N2 – K2 + 2jNKoder εreal = N2 – K2 εimag = 2NKund so ist ersichtlich, dass ε_real negativ ist, wenn K größer als N ist. Ein Blick in die oben erwähnten Tabellen optischer Konstanten offenbart, dass diese Bedingung tatsächlich häufig erfüllt ist.

Es ist auch möglich, ein elektrisches Feld in einer kleinen dielektrischen Kugel unter Verwendung einer elektrostatischen Näherung abzuschätzen. Betrachtet wird ein Fall, in welchem die Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Welle viel größer als der Kugelradius ist. In diesem Fall wird die Kugel von einem elektrischen Feld umgeben, welches über die Kugelabmessungen näherungsweise konstant ist. Aus der elementaren Elektrostatik erhält man die Größe des Felds in der Kugel:

wobei E_außen das umgebende Feld ist, E_innen das Feld in der Kugel ist, und ε_innen bzw. ε_außen die relativen Dielektrizitätskonstanten in der Kugel bzw. im umgebenden Medium sind. Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, dass das Feld in der Kugel unendlich groß werden würde, falls die Bedingung 2εaußen + εinnen = 0erfüllt wäre. Da die Dielektrizitätskonstanten nicht real sind, würde das Feld groß, aber nicht unendlich werden.

Im Fall eines oszillierenden elektrischen Felds, welches ein Teil der Lichtwelle ist, würde das große Feld natürlich auch zu einer entsprechend großen Absorption durch das Metall führen. Diese Feldverstärkung ist die Ursache für starke Absorptionsspitzen, welche in Metallnanokugeln erzeugt werden. Unter Berücksichtigung der komplexen Dielektrizitätskonstante kann man den näherungsweisen Absorptionsquerschnitt berechnen, falls der Imaginärteil der Dielektrizitätskonstante klein ist. Unter Auslassen einiger Schritte findet man für den Querschnitt Q_abs

In der obigen Gleichung ist ε_medium die Dielektrizitätskonstante des Mediums, ε_real und ε_imag sind die Real- und Imaginärteile der Dielektrizitätskonstante der Metallkugel. Die Größe x ist gegeben durch x = 2πrNmedium/λwobei r der Kugelradius und λ die Wellenlänge ist. Wiederum wird eine maximale Absorption erwartet, wenn jener Teil des Nenners, welcher in Klammern ist, null wird. Für große Absorptionswerte mit einem deutlichen und klar abgegrenzten Absorptionsbereich sollte ε_imag klein bleiben. Es ist ersichtlich, dass die Wellenlänge maximaler Absorption sich verschiebt, wenn die Dielektrizitätskonstante des Mediums geändert wird. Dies ist eine der Arten einer Feinabstimmung des Absorptionsbereichs für einen gegebenen Leiter.

Da für verschiedene Materialien ε_real verschiedene Funktionen sind, tritt die Resonanzabsorption aufgrund eines Plasmon-Effekts bei verschiedenen Wellenlängen auf, wie in 1 gezeigt. 1 zeigt die reale Dielektrizitätskonstante von drei Metallnitriden, welche eine Fröhlich-Resonanz zeigen. Die Fröhlich-Resonanzfrequenz wird bestimmt durch die Stelle, bei welcher die Epsilon (real) Kurven die mit „-2 Epsilon (medium)" gekennzeichnete Linie schneiden.

Die Form und Größe eines Partikels

Die Form des Partikels ist wichtig. Das Feld in einem abgeflachten Partikel, z.B. einer Scheibe im Verhältnis zum Feld außerhalb jenes Partikels ist sehr verschieden vom Feld in nerhalb eines kugelförmigen Partikels. Falls die Scheibe senkrecht zur Feldlinienrichtung liegt, dann

Hier würde die Resonanz mit der großen Absorption bei einer solchen Wellenlänge auftreten, bei welcher ε_innen=0. Falls die Scheibe dünn und mit dem Feld ausgerichtet wäre, dann wäre E_innen=E_außen, und überhaupt keine Singularität und somit überhaupt keine Resonanz würde auftreten. Im Allgemeinen ist die Form des Partikels bevorzugt im Wesentlichen kugelförmig, um anisotrope Absorptionseffekte zu verhindern.

Es gibt eine kleine Verschiebung der Absorptionswellenlänge, welche von der Partikelgröße herrührt. Wenn das Partikel größer wird, brechen die obigen einfachen Annahmen zusammen. Ohne Beweis verschiebt eine Zunahme in der Partikelgröße die Absorptionsspitze geringfügig zu den roten, d.h. längeren Wellenlängen. Größere Partikel werden auch als Absorber weniger wirksam, da das den innersten Abschnitt der Kugel belegende Material nie die elektromagnetische Strahlung sieht, welche sie absorbieren könnten, da die äußeren Schichten bereits die einfallende Resonanzstrahlung absorbiert haben. Für größere Kugeln verschwindet das Resonanzmerkmal stufenweise. Die Absorptions- und Extinktionsquerschnitte beginnen, weniger ausgeprägt zu sein, wenn die Kugelgröße wächst. Eine Absorption und insbesondere eine Extinktion verschiebt sich auch mehr zu den längeren Wellenlängen.

Für eine weitere Veranschaulichung des Verhaltens der Absorptionsquerschnitte, siehe die dreidimensionale Darstellung in 2, welche eine dreidimensionale Darstellung eines gegen Radius und Wellenlänge aufgezeichneten Absorptionsquerschnitts von ZrN zeigt. Um wirklich optimale Partikelgrößen zu bestimmen, ist es am besten, Transmission, Absorption und Extinktion aufzuzeichnen. Während der Absorptionsquerschnitt für kleine Partikel abnimmt, sind pro Einheitsgewicht viel mehr kleine Partikel als große Partikel anwesend. Interessanterweise scheint es so, dass kleine Partikel mit einer gegebenen Gesamtmasse gerade ungefähr genauso gut wie etwas größere Partikel mit der gleichen Gesamtmasse absorbieren. Am wichtigsten ist, dass kleine Partikel nicht streuen. Diese Punkte sind für TiN mit 3 dargestellt, welche den Absorptionskoeffizienten von 1 g TiN-Kugeln suspendiert in 1 cm³ einer Lösung mit einem Index N=1,33 zeigt. Kleine Partikel ergeben die beste Absorption, und unterhalb eines kritischen Radius von ungefähr 0,025 Mikrometer ist es ohne Bedeutung, wie klein die Partikel sind.

Die Wirkung der Medien

Es gibt auch eine Absorptionsverschiebung, welche von der Dielektrizitätskonstante des Mediums abhängt, welches die Partikel der vorliegenden Erfindung trägt. Die Drude-Theorie gibt einen Näherungswert für den Realteil der Dielektrizitätskonstante, welcher sich wie

verändert, wobei ν_plasma die so genannte Plasmafrequenz und ν die Frequenz der Lichtwelle ist. Die Plasmafrequenz liegt üblicherweise irgendwo im ultravioletten Abschnitt des Spektrums. Goldkugeln haben eine Absorptionsspitze nahe bei 5200 A. TiN, ZrN und HfN, welche goldfarbig aussehen, weisen Spit zen bei kürzeren und längeren Wellenlängen auf, wie wir unten zeigen werden. Man hat gesehen, dass TiN-Kolloide aufgrund grüner und roter Absorption blaue Farben zeigen.

Das oben beschriebene Verhalten der Dielektrizitätskonstanten erlaubt es uns abzuschätzen, wie viel sich die Absorptionsspitzen verschieben, wenn die Dielektrizitätskonstante des Mediums geändert wird. Unter Verwendung einer einfachen Taylor-Reihenentwicklung der obigen Ausdrücke bis zur ersten Ordnung erhalten wir:

Falls das Absorptionsmaximum bei 6000 A auftritt und wir die Dielektrizitätskonstante des Mediums um 0,25 erhöhen, dann verschiebt sich die Absorptionsspitze um 500 A zu 6500 A nach oben. Wenn wir die Dielektrizitätskonstante verringern, dann verschiebt sich die Absorption zu kürzeren Wellenlängen. Dieser Punkt ist in 4 dargestellt, welche einen Absorptionsquerschnitt für TiN-Kugeln mit einem Radius von 50 nm in Medien mit drei verschiedenen Brechungsindizes: 1, 1,33 und 1,6 zeigt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbundmaterialien, welche für eine selektive Absorption elektromagnetischer Strahlung in einem gewählten vorherbestimmten Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums geeignet sind, während sie außerhalb dieses Bereichs im Wesentlichen transparent bleiben. Insbesondere stellt im bevorzugten Ausführungsbeispiel die vorliegende Erfindung kleine Partikel bereit, wobei die Partikel einen inneren Kern und eine äußere Schale aufweisen, wobei die Schale den Kern einkapselt, und wobei entweder der Kern oder die Schale ein leitfähiges Material umfassen. Das leitfähige Material weist bevorzugt einen negativen Realteil der Dielektrizitätskonstante mit der richtigen Größe in einem vorherbestimmten Spektralband auf. Weiterhin entweder (i) umfasst der Kern ein erstes leitfähiges Material, und die Schale umfasst ein zweites leitfähiges Material, welches vom ersten leitfähigen Material verschieden ist, oder (ii) entweder der Kern oder die Schale umfasst ein brechendes Material mit einem großen Brechungsindex näherungsweise größer als ungefähr 1,8.

Zum Beispiel umfasst in einem Ausführungsbeispiel das Partikel der vorliegenden Erfindung einen aus einem leitfähigen Material hergestellten Kern und eine Schale, welche ein Material mit einem hohen Brechungsindex umfasst. In einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst das Partikel einen Kern aus einem Material mit einem hohen Brechungsindex und eine Schale aus leitfähigem Material. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst das Partikel der vorliegenden Erfindung einen Kern, welcher aus einem ersten leitfähigen Material gebildet ist, und eine Schale, welche ein zweites leitfähiges Material umfasst, wobei das zweite leitfähige Material vom ersten leitfähigen Material verschieden ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt das Partikel einen Absorptionsquerschnitt größer als 1 in einem vorherbestimmten Spektralband. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Partikel kugelförmig oder im Wesentlichen kugelförmig und weist einen Durchmesser von ungefähr 1 nm bis ungefähr 150 nm auf. Die bevorzugte Schalendicke ist von ungefähr 1 nm bis ungefähr 20 nm.

Jedes Material, welches einen Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 aufweist, und jedes Material, welches einen negativen Realteil der Dielektrizitätskonstante in einem wünschenswerten Spektralband aufweist, kann zur Ausübung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen diese Materialien Ag, Al, Mg, Cu, Ni, Cr, TiN, ZrN, HfN, Si, TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃ und andere.

Das Verschieben der Resonanzabsorption über ein vorherbestimmtes Spektralband wird in einem Ausführungsbeispiel durch Verändern der Schalendicke erreicht, und in einem anderen Ausführungsbeispiel durch Verändern der Materialien der Schale und/oder des Kerns. In noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann beides verändert werden.

Falls zwei leitfähige Materialien verwendet werden, eines im Kern und das andere in der Schale, wird das Partikel gewöhnlich eine Resonanzabsorption bei einer Wellenlänge aufweisen, welche sich zwischen den Spitzen jedes der leitfähigen Materialien befindet. Diese ermöglicht es, durch Auswählen der Materialien des Kerns und der Schale und/oder durch Einstellen des Verhältnisses der Schalendicke zum Kerndurchmesser die Spitzen der Absorption in beiden Richtungen über sowohl das sichtbare als auch das UV-Band zu verschieben. Zum Beispiel zeigt, während TiN seine Resonanzspitzen im sichtbaren Bereich aufweist, Silber Resonanzabsorption nahe der Kante des UV-Bands. Wie in 5 dargestellt, welche Absorptions durchgezogene Linie)- und Extinktions(gestrichelte Linie)-Querschnitte für TiN-Kugeln mit 20 nm Radius zeigt, die mit entweder 1 nm oder 2 nm dicken Silberschalen beschichtet sind, verschiebt ein Einstellen der Dicke der Silberschale die Spitzen in Richtung der kürzeren Wellenlängen.

In den unten beschriebenen Figuren stellen die durchgezogenen Linien eine Absorption und die gestrichelten Linien eine Extinktion dar.

6 zeigt, dass die Resonanzabsorptionsspitzen eines ZrN-Kerns, Radius 22 nm, beschichtet mit einer Silberschale in Abhängigkeit von der Schalendicke verschoben werden kann. Die Verschiebung ist in Richtung der kürzeren Wellenlängen. Schalen sind 0 nm, 1 nm und 2 nm dick.

7 zeigt, dass die Resonanzabsorptionsspitzen eines ZrN-Kerns, Radius 22 nm, beschichtet mit einer Aluminiumschale, in Abhängigkeit von der Schalendicke verschoben werden kann. Die Verschiebung ist in Richtung der kürzeren Wellenlängen. Schalen sind 0 nm, 1 nm und 2 nm dick.

In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Kern ein leitfähiges Material, und die Schale umfasst ein Material mit einem hohen Brechungsindex. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 8 dargestellt, welche Absorptions durchgezogene Linie)- und Extinktions(gestrichelte Linie)-Querschnitte für Aluminiumkerne, Radius 18 nm, beschichtet mit einer Schale aus TiO₂ von 2 nm, 4 nm und 5 nm zeigt. Es ist ersichtlich, dass die Absorptionsspitzen ohne eine übermäßige Absorption im sichtbaren Bereich über das UV-Spektralband verschoben werden kann.

In einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Partikel mit einem gewünschten MassenLadefaktor in einem Träger verteilt. Wie in 9 dargestellt, blockieren die Partikel, umfassend Aluminiumkerne, Radius 18 nm, beschichtet mit Schalen aus Titanoxid mit unterschiedlicher Dicke (2 nm, 3 nm, 4 nm oder 5 nm), verteilt in einem Träger mit einem MassenLadefak tor von ungefähr 5 × 10^-6 g/cm², im Wesentlichen die Strahlungstransmission im Ultraviolettbereich, während sie im sichtbaren Bereich transparent bleiben.

Die vorliegende Erfindung betrachtet einen Bereich von MassenLadefaktoren, mit welchen die Partikel verteilt werden können. 10 stellt dar, dass das Präparat aus einem Träger und Partikeln aus Aluminiumkernen und Titanoxidschalen (Kernradius 18 nm, Schalendicke 4 nm) bei Ladefaktoren, welche sich von 2,0 × 10^-5 g/cm² bis 2,5 × 10^-6 g/cm² verändern, im UV-Bereich absorbieren bleiben.

In einem in 11 dargestellten noch anderen Ausführungsbeispiel sind Partikel aus einem Aluminiumkern, Radius 18 nm, beschichtet mit einer Siliziumschale von unterschiedlicher Dicke (1 nm, 2 nm, 3 nm oder 4 nm) in einem Träger mit dem MassenLadefaktor von ungefähr 2,5 × 10^-6 g/cm² verteilt. Ein solches Präparat ist im Wesentlichen im UV-Bereich absorbierend und dennoch im sichtbaren Band im Wesentlichen transparent.

Zur Minimierung der sichtbaren Absorption sind die dünneren Beschichtungen von 1 nm bis 2 nm bevorzugt. 12 zeigt ein besonders einfaches Verfahren zum Maßschneidern von UV-Absorption durch Oxidieren von Al-Nanopartikelkernen.

Anwendungen

Die vorliegende Erfindung kann in einem weiten Bereich von Anwendungen verwendet werden, welche Blocker, Filter, Tinte, Farben, Lotionen, Gele, Filme, Feststoffe und Wundverbandsmaterialien umfassen, welche im ultravioletten Spektralband absorbieren.

Es sollte beachtet werden, dass das resonante Wesen der Strahlungsabsorption durch die Partikel der vorliegenden Erfindung zu (a) einem Absorptionsquerschnitt größer als 1 und (b) schmalbandiger Frequenzantwort führen kann. Diese Eigenschaften führen dazu, dass eine „optische Größe" eines Partikels größer als seine physikalische Größe ist, was es ermöglicht, den Ladefaktor des Farbmittels zu verringern. Eine kleine Größe hilft wiederum, unerwünschte Strahlungsstreuung zu verringern. Ein niedriger Ladefaktor weist eine Wirkung auf die Nutzungswirtschaftlichkeit auf. Eine schmalbandige Frequenzantwort ermöglicht Filter mit einer überlegenen Qualität und selektive Blocker. Die auf den Partikeln der vorliegenden Erfindung basierenden Pigmente leiden nicht unter UV-hervorgerufener Verschlechterung und sind lichtbeständig, nicht giftig, widerstandsfähig gegenüber Chemikalien, stabil bei hohen Temperaturen und nicht krebserregend.

Die Partikel der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um Strahlung im ultravioletten (UV) Spektralband zu blockieren, welches hier als die Strahlung mit den Wellenlängen zwischen ungefähr 200 nm und ungefähr 400 nm definiert ist, während sie im Wesentlichen Strahlung im sichtbaren Band (VIS) transmittieren, welches hier als die Strahlung mit den Wellenlängen zwischen ungefähr 400 nm und ungefähr 700 nm definiert ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel können Partikel der vorliegenden Erfindung in einem anderweitig durchsichtigen Träger, z.B. Glas, Polyethylen oder Polypropylen verteilt sein. Das resultierende strahlungsabsorbierende Material wird UV-Strahlung absorbieren, während es eine gute Transparenz im sichtbaren Bereich beibehält. Ein aus einem solchen strahlungsabsorbierenden Material hergestellter Behälter kann z.B. zur Aufbewahrung von UV-empfindlichen Mate rialien, Verbindungen oder Lebensmittelerzeugnissen verwendet werden. Alternativ kann ein aus einem strahlungsabsorbierenden Material hergestellter Film als eine Beschichtung verwendet werden.

Geeignete Träger für die Partikel der vorliegenden Erfindung umfassen unter anderem Polyethylen, Polypropylen, Polymethylmethacrylat, Polystryrol, Polyethylenterephthalat (PET) und Copolymere derselben, und ebenfalls verschiedene Gläser.

Ein Film oder ein Gel, umfassend oben beschriebene Tinte oder Farben, wird durch die vorliegende Erfindung betrachtet.

Die Partikel der vorliegenden Erfindung können weiterhin in Kügelchen eingebettet werden, um einen minimalen Abstand zwischen den Partikeln sicherzustellen. Bevorzugt werden Kügelchen einzeln in transparente kugelförmige Kunststoff- oder Glaskügelchen eingebettet. Kügelchen, welche einzelne Partikel enthalten, können dann in einem geeigneten Trägermaterial verteilt werden.

Die Partikel der vorliegenden Erfindung können auch als hocheffiziente UV-Filter verwendet werden. Herkömmliche Filter leiden häufig an einer spektralen Absorption mit einer „weichen Schulter", wodurch ein ziemlich wesentlicher Teil von unerwünschten Frequenzbändern zusammen mit dem gewünschten Band absorbiert wird. Dank der Resonanzabsorption stellen die Partikel der vorliegenden Erfindung einen überlegenen Mechanismus zum Erreichen von selektiver Absorption bereit. Die Farbfilter können durch Verteilen der Partikel der vorliegenden Erfindung in einem geeigneten Träger, z.B. Glas oder Kunststoff, oder durch Beschichten eines gewünschten Materi als mit einem Film, welcher die Partikel der vorliegenden Erfindung umfasst, hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung kann weiterhin verwendet werden, um Lotionen herzustellen, welche menschliche Haut gegen schädliche UV-Strahlung schützen. In diesem Fall sind die Partikel gleichförmig in einem pharmakologisch sicheren zähen Trägermedium verteilt, von welchem zahlreiche Beispiele leicht verfügbar und in der kosmetischen und pharmazeutischen Technik wohlbekannt sind. Zum Beispiel blockieren, wie oben angemerkt, Partikel mit metallischen Kernen und Schalen zufriedenstellend UV-Strahlung im UVA-, UVB- und UVC-Spektralbereich, während sie Licht mit längeren, d.h. sichtbaren Wellenlängen transmittieren; auch zeigen solche Partikel, wenn sie klein genug sind, wenig Streuen, wodurch sie ein unerwünschtes milchiges Erscheinungsbild vermeiden. Ein Gel oder eine Lotion kann zum Beispiel hergestellt werden, welches oder welche die Partikel der vorliegenden Erfindung umfasst.

Die vorliegende Erfindung kann auch genutzt werden, um UV-strahlungsabsorbierendes Wundenverbandsmaterial herzustellen. Die Partikel oder ein Träger, in welchem die Partikel verteilt sind, kann einbezogen werden in, oder als eine Beschichtung aufgebracht werden auf einer Textilmatrix, einer textilartigen Matrix oder einer Schaumstoffmatrix, z.B. Mull, Rayon, Polyester, Polyurethan, Polyolefin, Zellulose und ihre Derivate, Baumwolle, Orlon, Nylon, Hydrogelpolymermaterialien oder jedes geeignete pharmakologisch sichere Material. Solch ein Material kann als eine Schicht in einem Vielschichtenwundverbandsmaterial oder als eine an einem selbstklebenden elastomeren Verband angebrachte absorbierende Schicht verwendet werden.

Kombinieren von verschiedenartigen Partikeln im gleichen Trägermaterial wird durch die vorliegende Erfindung ebenfalls betrachtet.

Kerne und Schalen, welche Metalle und leitfähige Materialien, z.B. Al, Ag, Mg, TiN, HfN und ZrN, und ebenfalls Materialien mit einem hohen Brechungsindex umfassen, können verwendet werden, um im UV-Band absorbierende Partikel herzustellen. Die strahlungsabsorbierenden Eigenschaften der Partikel können dadurch eingestellt werden, dass das Material, der Radius und die Dicke des Kerns und der Schale unabhängig gewählt werden.

Obwohl zur Verwendung in den oben beschriebenen Anwendungen geeignete Partikel durch jede Zahl von kommerziellen Verfahren hergestellt werden können, haben wir ein Herstellungsverfahren für Dampfphasenerzeugung entwickelt. Dieses Verfahren ist im US-Patent 5,879,518 und in der Vorläufigen US-Anmeldung 60/427,088 beschrieben.
Dieses schematisch in 14 dargestellte Verfahren verwendet eine Vakuumkammer mit einer geheizten Wandverkleidung, in welcher zur Herstellung von Kernen verwendete Materialien als Kugeln verdampft und eingekapselt werden, bevor sie kryogen in einen Eisblock gefroren werden, wo sie später gesammelt werden. Die Regelungsmittel, um zu monodispersen (gleichförmig großen) Partikeln mit einer genauen Stöchiometrie und einer genauen Einkapselungsdicke zu gelangen, betreffen sich radial aufweitende laminare Strömungsrichtungen, Temperaturen, Gasgeschwindigkeiten, Drücke, Expansionsraten von der Quelle und eine Prozentzusammensetzung von Gasmischungen.
Bezug nehmend auf 15 kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Zufuhr von Titan verwendet werden. Titan oder ein anderes metallisches Material wird an seiner Oberfläche durch einen einfallenden CO₂-Laserstrahl verdampft, um Metalldampftröpfchen zu erzeugen. Für eine schmalere Größenregelung kann die Bildung dieser Tröpfchen durch Bilden einer akustischen Oberflächenwelle über die geschmolzene Oberfläche hinweg unterstützt werden, um die Abgabe der Dampftröpfchen durch Bereitstellen einer amplitudenbezogenen inkrementellen mechanischen Spitzenenergie zu erleichtern.
Der Zufuhrstab wird stetig vorwärts geschoben, während seine Oberflächenschicht aufgebraucht wird, um Dampftröpfchen zu erzeugen. Die letzteren werden durch das hereinkommende Stickstoffgas (N₂) weggerissen, welches am mittleren Verdampfungsbereich durch ein Radiofrequenz(RF)-Feld (ungefähr 2 kV bei ungefähr 13,6 MHz) ionisiert wird. Die Arten von atomarem Stickstoff „N⁺" reagieren mit den Metalldampftröpfchen und wandeln diese in TiN oder andere Metallnitride, z.B. ZrN oder HfN, abhängig vom Material des Zufuhrstabs.
Aufgrund eines Vakuumdifferenzdrucks und einer gleichzeitigen radialen Gasströmung in der kegelförmigen kreisförmigen Öffnung bewegen sich die Partikel mit minimalen Zusammenstößen zuerst in eine sich radial ausweitende Kegelöffnung und dann in eine Argonströmung nach oben, um mehrere alternierende Kryopumpen zu erreichen, welche die Gase „ausfrieren" und verfestigen, um Eisblöcke zu bilden, in welchen die Partikel eingebettet sind.
Die Schritte der Partikelbildung sind in 16 gezeigt. Hier beginnen wir mit einem Metalldampf plus atomarem Stick stoffgas, um Metallnitride zu bilden. Indem den Partikeln eine vorübergehende elektrische Ladung verliehen wird, können wir sie auseinanderhalten und so Zusammenstöße verhindern, während wir anfangen, eine dünne Schale um den Nitridkern zu wachsen. Als nicht beschränkende Beispiele können Silizium oder TiO₂ verwendet werden, wobei die Schalendicke durch die Zufuhrrate von Silangas (SiH₄) bzw. einer Mischung aus TiCl₄ und Sauerstoff gesteuert wird.
In einer nachfolgenden Durchgangszone wird ein Silangas oder eine TiCl₄/O₂-Mischung auf einem noch heißen Nanopartikel kondensiert, um eine kugelförmige SiO₂- oder TiO₂-Hülle um jedes einzelne Partikel auszubilden.
Falls erforderlich kann eine sterische Hinderungsschicht aus einem Tensid, wie z.B. Hexamethyldisiloxan (HMDS) auf die Kügelchen aufgebracht werden, um die Partikel gleichförmig über einen Träger der Wahl, wie z.B. Öl oder Polymere verteilt zu halten. Andere oberflächenaktive Stoffe können in Wasserlösung verwendet werden.
Mit diesem Herstellungsverfahren kann eine Vielfalt von eingekapselten Nanopartikeln in großen Mengen hergestellt werden, wobei die gewünschten Resonanzabsorptionspartikel in einem einzigen Verfahrensschritt erzeugt und ihre Einsammelbarkeit und ihre gleichförmige Größe sichergestellt werden.
Während diese Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben gezeigt und beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Veränderungen in Form und in Details daran vorgenommen werden können, ohne vom durch die angefügten Ansprüche abgegrenzten Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Verbundmaterialien, welche verwendet werden können, um ultraviolette Strahlung eines ausgewählten Wellenlängenbereichs zu blockieren, werden offenbart. Die Materialien umfassen Dispersionen von Partikeln, welche optisches Resonanzverhalten zeigen, was zu Absorptionsquerschnitten führt, welche die geometrischen Querschnitte der Partikel wesentlich übersteigen. Die Partikel werden bevorzugt als gleichförmige eingekapselte Kugeln mit Nanogröße hergestellt und gleichmäßig in einem Trägermaterial verteilt. Entweder der innere Kern oder die äußere Schale der Partikel umfasst ein leitfähiges Material, welches eine Plasmon(Fröhlich)-Resonanz in einem gewünschten Spektralband zeigt. Die großen Absorptionsquerschnitte stellen sicher, dass ein verhältnismäßig kleines Partikelvolumen das Verbundmaterial vollständig (oder näherungsweise) opak für einfallende Strahlung der Resonanzwellenlänge machen wird, und so schädliche Strahlung blockiert. Die Materialien der vorliegenden Erfindung können bei der Herstellung von Sonnencremes, UV-Filtern und -Blockern, Tinte, Farben, Lotionen, Gelen, Filmen, Textilien, Wundverbandsmaterialien und anderen Feststoffen verwendet werden, welche gewünschte ultraviolettstrahlungsabsorbierende Eigenschaften aufweisen. Die Materialien der vorliegenden Erfindung können in Systemen verwendet werden, welche aus reflektierenden Stoffen, z.B. Papier, oder einem transparenten Träger, z.B. Kunststoff- oder Glasfilmen, bestehen. Die Partikel können weiterhin in transparente Kunststoff- oder Glaskügelchen eingebettet sein, um einen minimalen Abstand zwischen den Partikeln sicherzustellen.

Claims

Ultraviolettstrahlungsabsorbierendes Partikel, umfassend: (a) einen Kern; und (b) eine Schale, wobei die Schale den Kern einkapselt; und wobei entweder der Kern oder die Schale ein leitfähiges Material umfasst, wobei das Material einen negativen Realteil der Dielektrizitätskonstante in einem vorherbestimmten Spektralband aufweist; und wobei entweder (i) der Kern ein erstes leitfähiges Material umfasst und die Schale ein zweites leitfähiges Material umfasst, welches von dem ersten leitfähigen Material verschieden ist; oder (ii) entweder der Kern oder die Schale ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 umfasst.
Partikel nach Anspruch 1, wobei das Partikel in einem vorherbestimmten Spektralband einen Absorptionsquerschnitt größer als 1 zeigt.
Partikel nach Anspruch 1, wobei das Partikel im Wesentlichen kugelförmig ist.
Partikel nach Anspruch 3, wobei das Partikel einen Durchmesser von ungefähr 1 nm bis ungefähr 150 nm aufweist.
Partikel nach Anspruch 3, wobei das Partikel einen Durchmesser von ungefähr 10 nm bis ungefähr 50 nm aufweist.
Partikel nach Anspruch 1, wobei die Schalendicke im Bereich von ungefähr 1 nm bis ungefähr 20 nm ist.
Partikel nach Anspruch 1, wobei entweder das Kernmaterial oder das Schalenmaterial aus einer Gruppe bestehend aus Ag, Al, Mg, Cu, Ni, Cr, TiN, ZrN, HfN, Si, TiO₂, ZnO₂, Al₂O₃ ausgewählt ist.
Partikel nach Anspruch 1, wobei sowohl der Kern als auch die Schale leitfähige Materialien umfassen, und wobei die Materialien des Kerns und der Schale so ausgewählt sind, dass das Partikel eine Absorptionsspitze in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 200 nm bis ungefähr 320 nm zeigt.
Partikel nach Anspruch 1, wobei sowohl der Kern als auch die Schale leitfähige Materialien umfassen, und wobei die Materialien des Kerns und der Schale so ausgewählt sind, dass das Partikel eine Absorptionsspitze in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 320 nm bis ungefähr 350 nm zeigt.
Partikel nach Anspruch 1, wobei sowohl der Kern als auch die Schale leitfähige Materialien umfassen, und wobei die Materialien des Kerns und der Schale so ausgewählt sind, dass das Partikel eine Absorptionsspitze in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 350 nm bis ungefähr 400 nm zeigt.
Partikel nach Anspruch 1, wobei entweder der Kern oder die Schale ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 umfasst, und wobei die Dicke der Schale und/oder die Größe des Kerns unabhängig so eingestellt sind, dass das Partikel eine Absorptionsspitze in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 200 nm bis ungefähr 320 nm zeigt.
Partikel nach Anspruch 1, wobei entweder der Kern oder die Schale ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 umfasst, und wobei die Dicke der Schale und/oder die Größe des Kerns unabhängig so eingestellt sind, dass das Partikel eine Absorptionsspitze in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 320 nm bis ungefähr 350 nm zeigt.
Partikel nach Anspruch 1, wobei entweder der Kern oder die Schale ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 umfasst, und wobei die Dicke der Schale und/oder die Größe des Kerns unabhängig so eingestellt sind, dass das Partikel eine Absorptionsspitze in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 350 nm bis ungefähr 400 nm zeigt.
Verfahren zum Herstellen eines Partikels, welches elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Spektralband absorbiert, umfassend den Schritt einer Einkapselung eines Kerns mit einer Schale, wobei entweder der Kern oder die Schale ein leitfähiges Material umfasst, wobei das Material einen negativen Realteil der Dielektrizitätskonstante in einem vorherbestimmten Spektralband aufweist; und wobei entweder (i) der Kern ein erstes leitfähiges Material umfasst und die Schale ein zweites leitfähiges Material umfasst, welches von dem ersten leitfähigen Material verschieden ist; oder (ii) entweder der Kern oder die Schale ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Kern ein erstes leitfähiges Material umfasst, und wobei die Schale ein vom ersten leitfähigen Material verschiedenes zweites leitfähiges Material umfasst, und wobei das erste und das zweite leitfähige Material so ausgewählt sind, dass das Partikel eine Absorptionsspitze in einem gewünschten Spektralband zeigt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei entweder der Kern oder die Schale ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 umfasst, und wobei die Dicke der Schale so ausgewählt ist, dass das Partikel eine Absorptionsspitze in einem gewünschten Spektralband zeigt.
Elektromagnetische Strahlung absorbierendes Material, um im Wesentlichen einen Durchgang des ultravioletten Spektralbands von Strahlung zu blockieren, umfassend: (a) ein Trägermaterial; und (b) ein in dem Trägermaterial verteiltes Partikelmaterial mit einem Hauptpartikel umfassend einen Kern und eine Schale, welche den Kern einkapselt, und wobei entweder der Kern oder die Schale ein leitfähiges Material umfasst, wobei das Material in einem vorherbestimmten Spektralband einen negativen Realteil der Dielektrizitätskonstante aufweist; und wobei entweder (i) der Kern ein erstes leitfähiges Material umfasst und die Schale ein zweites leitfähiges Material umfasst, welches von dem ersten leitfähigen Material verschieden ist; oder (ii) entweder der Kern oder die Schale ein brechendes Material mit einem Brechungsindex größer als ungefähr 1,8 umfasst.
Material nach Anspruch 17, wobei der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Polyethylen, Polypropylen, Polymethylmethacrylat, Polystyrol, Polyethylenterephthalat und Copolymeren derselben.
Material nach Anspruch 17, weiterhin umfassend ein oder mehrere verschiedene Partikelmaterialien.
Material nach Anspruch 17, wobei das Material Tinte ist.
Material nach Anspruch 17, wobei das Material Farbe ist.
Material nach Anspruch 17, wobei das Material eine Lotion ist.
Material nach Anspruch 17, wobei das Material ein Gel ist.
Material nach Anspruch 17, wobei das Material ein Film ist.
Material nach Anspruch 17, wobei das Material ein Feststoff ist.
Material nach Anspruch 17, wobei das Material eine Textilie ist.
Material nach Anspruch 17, wobei das Material eine Textilie, textilartig oder eine Schaumstoffmatrix ist, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Mull, Rayon, Polyester, Polyurethan, Polyolefin, Zellulose und ihre Derivate, Baumwolle, Orlon, Nylon und Hydrogelpolymermaterialien.
Material nach Anspruch 27, wobei das Material an einem selbstklebenden elastomeren Verband angebracht ist.
Material nach Anspruch 17, wobei die Hauptpartikel weiterhin in Kügelchen eingebettet sind.
Material nach Anspruch 29, wobei die Hauptpartikel einzeln in im Wesentlichen kugelförmige Kügelchen eingebettet sind.