DE60303509T2

DE60303509T2 - Verfahren und vorrichtung zum zweidimensionalen aufbau von partikeln

Info

Publication number: DE60303509T2
Application number: DE60303509T
Authority: DE
Inventors: Gilles Trois-RiviΠres PICARD; Juan Laval SCHNEIDER
Original assignee: Nanometrix Inc
Current assignee: Versatilis LLC
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2006-10-26
Also published as: WO2003095108A1; CN1652881A; AU2003229443A1; CA2484653C; ATE481183T1; CA2484653A1; EP1503870A1; DE60334251D1; DE60303509D1; ATE317304T1; KR20050020798A; MXPA04011172A; EP1647334A1; CA2385911A1; JP2005525230A; EP1647334B1; KR100997548B1; DE60303509T8; EP1503870B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Monolagen aus Partikeln oder Molekülen und insbesondere solche Verfahren und Vorrichtungen, die für Industrien mit Massenproduktion geeignet sind.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bei heutigen Industrien mit Spitzentechnologie erreicht die Miniaturisierung bei elektronischen Schaltkreisen, bei Informationsspeichern mit hoher Dichte, bei Bildschirmen und bei anderen Geräten Bereiche unterhalb des Mikrometerbereiches. Bereits vor Jahrzehnten wurden verschiedene Verfahren erfunden, um kleine Geräte zu erzeugen und haben sich im Submillimeterbereich bewährt, wie beispielsweise Glasieren, Versprühen, Aufstreichen, Feinzerstäubung, Extrudieren oder das Durchführen zwischen Walzen, um dünnere Elemente zu erhalten. Wenn diese Verfahren sich dem Mikrometerbereich nähern, ist es sehr wahrscheinlich, dass Defekte, wie Löcher, Unebenheiten, Desorientierung, Risse usw. auftreten. Die Herstellung von Lagen durch Sublimation von Material unter Vakuum ist für anorganisches Material interessant und Lagen mit Dicken im Nanometerbereich konnten erzeugt werden. Unglücklicherweise erfordert dies für Metalle die Verwendung von erhöhten Temperaturen, die empfindliche Materialien, wie Proteine oder magnetische Cluster, die an dem Verfahren beteiligt sein könnten, zerstören. Darüber hinaus ist die Orientierung oder allgemeiner gesagt die Organisierung der Materie bei diesen Vorgehensweisen nicht möglich, da Atome oder Moleküle willkürlich aufeinander gehäuft werden.
Es wurde daher vorgeschlagen, Partikel auf glatte Flächen aufzubringen und sie Seite an Seite zu packen, um Lagen herzustellen. Die Organisierung der Materie bei derartig dünnen Lagen ergibt interessante Eigenschaften in den Bereichen Optik, Elektronik, biologische Detektion, Filtration, magnetische Speichervorrichtungen usw. Die Größe der zu manipulierenden Objekte kann tatsächlich in der Größenordnung von 1 Millimeter bis zu einem Zehntel eines Nanometers liegen. Daher wurden im Laufe der Jahrzehnte verschiedene zweidimensionale Herstellungsverfahren erfunden, um eine derartige Organisierung zu erzielen, wobei die meisten von ihnen sich jedoch als unbrauchbar für die Massenproduktionsindustrie erwiesen haben.
Das erste zweidimensionale Herstellungsverfahren wurde Anfang des 20. Jahrhunderts erfunden. Es bestand lediglich aus der Ablagerung von Partikeln auf einer flachen Grenzfläche Gas/Flüssigkeit und dem Zusammenbringen der Partikel mittels beweglicher Barrieren, um eine Monolage zu bilden. Obwohl anfangs angenommen wurde, dass das Verfahren konstant und fehlerfrei ist, führten die aus aus allen Richtungen zugeführten Partikeln bestehenden Monolagen zu Löchern und lokalem Zerfall der Monolage.
Die kanadische Patentanmeldung Nr. 2,291,825, veröffentlicht am 3. Dezember 1998, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Monolagen aus Partikeln. Insbesondere offenbart dieses Dokument ein Verfahren mit einer dynamischen dünnen laminaren Strömung (DTLF), bei dem ein flüssiger, eine Suspension aus Partikeln enthaltender Film auf einen rotierenden Zylinder gespritzt wird. Die Rotation des Zylinders drückt die Partikel gegeneinander, um eine kontinuierliche Monolage auf dem rotierenden Zylinder zu bilden. Der rotierende Zylinder wird relativ zu einem Substrat, das mit der Monolage beschichtet wird, in Längsrichtung vorwärts bewegt. Gemäß diesem Verfahren sind mechanische Vorrichtungen erforderlich, um die Antriebskraft bereitzustellen, die benötigt wird, um die Partikel aneinander anzulagern. Darüber hinaus beschränken die Abmessungen des rotierenden Zylinders die Größe der Monolage, die mit diesem Verfahren hergestellt werden kann. Der rotierende Zylinder trägt ferner dazu bei, dass die Überwachungszone eingeschränkt wird, die zum Kontrollieren der Herstellung der Monolagen erforderlich ist.
Obwohl das in der oben genannten Patentanmeldung beschriebene Verfahren effizient ist, hat sich herausgestellt, dass es einen Bedarf an einem neuen Verfahren und einer neuen Vorrichtung gibt, die Flexibilität bezüglich der Produktion bietet, während sie gleichzeitig eine einfachere Überwachung und Kontrolle darüber erlaubt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Lagen aus Partikeln bereitzustellen, die für einen Einsatz in der Massenproduktion geeignet sind.
Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die Flexibilität bei der Herstellung bieten.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Kontrolle über die Herstellung der dünnen Partikellagen vereinfacht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Monolagen aus Partikeln vorgesehen, wie sie in dem beigefügten Anspruch 1 beschrieben wird, die eine filmbildende Oberfläche, ein Fluidzufuhrsystem, mit dem ein Film aus sich bewegendem Fluid auf diese filmbildende Oberfläche zugeführt wird, ein Partikelzufuhrsystem zum Aufbringen von Partikeln auf diesen Film, während das Fluid entlang der filmbildenden Oberfläche fließt, wobei dieser Fluidfilm die Partikel bis zu einem Damm befördert, wobei dieser Damm die einlaufenden Partikel veranlasst, sich nebeneinander anzusammeln und allmählich eine einzelne Partikelschicht zu bilden.
Gemäß einem weiteren allgemeinen Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie er in dem beigefügten Anspruch 20 beschrieben ist, ist ein Verfahren zur Herstellung von Monolagen aus Partikeln vorgesehen, umfassend die Schritte von: Aufbringen von Partikeln auf ein entlang einer Oberfläche fließendes Trägerfluid derart, dass die Partikel von diesem Trägerfluid einer Bildungszone zugeführt werden, und Anstauen der durch den Fluidträger in diese Bildungszone transportierten Partikel, so dass sich die Partikel allmählich aneinander lagern und eine dünne Schicht bilden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUGEN
Nachdem das Wesen der Erfindung im Allgemeinen beschrieben wurde, wird jetzt auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die in beispielhafter Weise eine bevorzugte Ausführungsform zeigen. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung dünner Lagen aus Partikeln gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung der 1;
3 eine schematische perspektivische Ansicht einer hydrophilen Platte, auf die ein Trägerfluid mittels eines ersten porösen Injektors aufgebracht wird, um die auf dem Trägerfluid mittels eines zweiten porösen Injektors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angelagerten Partikel zu befördern;
4 ein Diagramm eines Trägerfluidzufuhrsystems für die Zufuhr zum in der 3 gezeigten ersten porösen Injektor;
5 ein Diagramm eines Suspensionszufuhrsystems für die Zufuhr zum in der 3 gezeigten zweiten porösen Injektor;
6 eine schematische Seitensicht, die zeigt, wie das Wachstum der Monolage am unteren Ende der hydrophilen Platte überwacht wird; und
7 eine schematische Seitenansicht, die die hinter der Überwachung der Monolagen-Herstellung stehenden Prinzipien zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung 10 beschrieben, die zur Herstellung von dünnen Lagen aus Partikeln für industrielle Anwendungen geeignet sind. Wie aus dem folgenden Text hervorgeht, können die Lagen zu zweidimensionalen Arrays oder Kristallen angeordnet werden oder sie können amorph oder sogar porös sein, wenn dies erforderlich ist.
Die Konstruktion der Vorrichtung 10 ist durch seine Einfachheit gekennzeichnet, was die größte Verbesserung darstellt. Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, umfasst die Vorrichtung 10 oder die Monolagen-Erzeugungseinrichtung im Allgemeinen eine hydrophile Oberfläche, die typischerweise die Form einer Rampe 12 mit einer einstellbaren Neigung hat, ein Trägerfluidzufuhrsystem 14 und ein Partikelzufuhrsystem 16, die beide an einem oberen Endabschnitt der Rampe 12 angeordnet sind, einen Damm 18 an einem unteren Endabschnitt der Rampe 12 und eine Monolagen-Überführungseinrichtung 20.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Rampe 12 die Form einer rechteckigen Platte (50 cm lang, 10 cm breit und 0,5 cm stark) und wird von einer geeigneten Trägerkonstruktion 22 in einer geneigten Stellung gehalten. Die Trägerkonstruktion 22 kann verstellt werden, um die Neigung der rechteckigen Platte 21 nach Wunsch zu verändern.
Die rechteckige Platte 21 besitzt eine flache Oberfläche 24, der über das Trägerfluidzufuhrsystem 14 kontinuierlich ein dünner Film 26 (weniger als ein Millimeter) des Trägerfluids zugeführt wird. Das Trägerfluid wird durch eine Anzahl von mit seitlichem Abstand voneinander angeordneten Injektoren 27 mit leichtem Druck auf die geneigte Oberfläche 24 zwangsgeführt. Ein paar Zentimeter stromabwärts der Injektoren 27 wird die Strömung des Trägerfluids unter Ausnutzung der Kapillarwirkung eines geeigneten Filters über die gesamte Breite der Oberfläche 24 verteilt. Auf diese Weise bedeckt die Strömung die gesamte Breite der Rampe 12 gleichmäßig. Die Anzahl der Injektoren 27 ist abhängig von der Breite der Rampe 12 selbst. Das Trägerfluid fließt durch die Gravitation entlang der geneigten Oberfläche 24 und wird von einem am unteren Ende der Rampe 12 vorgesehenen Fluidbehälter 28 aufgenommen. Eine Wiederaufbereitungseinheit (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, um das Trägerfluid wieder in das Zufuhrsystem 14 zurückzuführen. Es ist selbstverständlich, dass die Art des Trägerfluids in Übereinstimmung mit den physikalisch-chemischen Merkmalen der Partikel gewählt wird.
Das Partikelzufuhrsystem 16 unterscheidet sich von dem Trägerfluidzufuhrsystem 14 und umfasst eine Anzahl von mit seitlichem Abstand voneinander angeordneten Injektoren 30. Es enthält eine Partikelsuspension, die der Oberfläche des Films 26 aus Trägerfluid unter Anwendung eines leichten Differenzdruckes durch die Injektoren 30 zugeführt wird. Die Anzahl der Injektoren 30 ist abermals eine Funktion der Breite der Rampe. Nach dem Injizieren können sich die Partikel 32 frei über die gesamte Oberfläche des Trägerfluids bewegen und verteilen sich schnell in alle Richtungen, um die Oberfläche 24 von einem Rand zum anderen zu bedecken.
Das Trägerfluidzufuhrsystem 14 und das Partikelzufuhrsystem 16 arbeiten zusammen, um die Gleichmäßigkeit und die Homogenität der fertigen Lage sicherzustellen, wobei die Eigenschaft der Partikel, sich selbsttätig zu gruppieren, berücksichtigt wird.
Das Trägerfluid befördert die Partikel 32 die Rampe 12 hinunter bis zu dem Damm 18. Der Damm 18 wird durch das Trägerfluidbecken im Behälter 28 gebildet. Die hauptsächliche Rolle des Dammes 18 besteht darin, die Partikel am unteren Ende der Rampe 12 zurückzuhalten, so dass die Partikel sich nebeneinander ansammeln und allmählich eine Monolage 34 aus ge ordneten Partikeln auf dem Trägerfluid bilden. Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, wächst die Monolage aus Partikeln allmählich die Rampe 12 hinauf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die nicht dargestellt ist, kann der Damm 18 aus einer beweglichen Barriere bestehen, die in die Strömung des Trägerfluids hinein bewegt werden kann, um die auf dem Trägerfluid treibenden Partikel 32 zurückzuhalten, während das Trägerfluid auf die stromabwärts gelegene Seite der Barriere fließen kann. Jede andere Konstruktion, die zu einer Ansammlung von Partikeln 32 am unteren Abschnitt der Rampe 12 führt, kann ebenfalls verwendet werden.
Die Monolagen-Überführungseinrichtung 20 ist in Form eines Förderbandes 36 vorgesehen und hat die Funktion, die so gebildete Monolage aus Partikeln an einen gewünschten Ort zur Weiterverarbeitung oder Lagerung zu befördern.
Die geneigte Fläche 24 ist der Kern der Vorrichtung 10, da sie der Ort ist, an dem das Zusammenfügen der Monolage stattfindet. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass eine ziemlich große Anzahl von physikalischen und chemischen Variablen an dem Vorgang des Zusammenfügens beteiligt ist, muss darauf hingewiesen werden, dass die endgültige Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit der Partikel von der Stellung der Rampe 12 abhängig ist. In der Tat erlaubt dies die Anpassung der Stärke der Gravitationskomponente der Antriebskraft: je steiler die Neigung ist, desto schneller strömen der Partikel 32. Die Parameter, die die Geschwindigkeit der Strömung bestimmen, sind die Steilheit der Rampe 12, die Viskosität des Trägerfluids und die Adhäsionsfähigkeit seiner Moleküle an der obersten Fläche 24 der Rampe 12 gemäß dem folgenden Verhältnis: V ∝ d. Sin θ/η A, wobei V die Geschwindigkeit, η die Viskosität, A der Adhäsionskoeffizient zwischen der geneigten Fläche 24 und dem Trägerfluid, d die Dicke des Films und θ der Winkel der Rampe 12 relativ zur Horizontalen ist.
Die Verwendung der Gravitationskraft, um die Partikel 32 nebeneinander auf der Fläche 24 anzusammeln, vermeidet in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit, auf mechanische Vorrichtungen zurückzugreifen, um die An triebskraft aufzubringen, die erforderlich ist, um die Partikel 32 auf der Oberfläche des auf der geneigten Fläche 24 fließenden Trägerfluids aneinander zu lagern.
Die Leistungsfähigkeit des vorliegenden Verfahrens beruht im Wesentlichen auf einer Anzahl von Eigenschaften und Merkmalen, die wie folgt zusammengefasst werden können:

1 – die das Trägerfluid antreibende Kraft wird durch das natürliche Gravitationsfeld der Erde erzeugt;
2 – die Partikel 32 lagern sich auf der Gas/Flüssigkeitsgrenzschicht des Fluids ab, das dadurch die Partikel 32 vorwärts bewegt;
3 – durch das Ansammeln der Partikel 32 Stück für Stück und Seite an Seite wächst eine Monolage auf der Fluidgrenzfläche,
4 – die Monolage wird eventuell auf die Fördereinrichtung 36 für eine weitere Behandlung überführt.

Die vorliegende Erfindung weist aus folgenden Gründen Vorteile im Vergleich zu konventionellen Verfahren und Vorrichtungen auf:

1 – Es gibt keine beweglichen Teile für die Herstellung der Monolage. Dies bedeutet, keine aufwändige Kontrolle von mechanischen Teilen, kein Einrichten und Unterhalten eines teuren Maschinenparks.
2 – Die Überwachung der verschiedenen Phasen der Herstellung ist wesentlich einfacher auf einer flachen und unbeweglichen Tafel oder Platte als auf einem runden und rotierenden Zylinder.
3 – Die industrielle Herstellung von großen Oberflächen ist aufgrund der Abwesenheit von beweglichen Teilen einfacher als jedes andere existierende Verfahren.
4 – Der Überwachungsbereich zum Kontrollieren der Herstellung von Monolagen kann so groß sein, wie es erforderlich ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in der 3 dargestellt ist, hat der Trägerfluidinjektor die Form eines porösen zylindrischen Injektors 50, der sich quer zu dem oberen Endabschnitt der Rampe 12 erstreckt. Der Injektor besitzt einen zylindrischen Körper, der von einer sich um seinen Umfang erstreckenden Wand gebildet wird, die aus einem porösen Material oder als Alternative aus einem undurchlässigen Material, das perforiert wurde, um eine Vielzahl von Auslassöffnungen zu bilden, hergestellt sein kann. Im Fall eines perforierten Rohres kann eine poröse Filterschicht um das Rohr herumgewickelt sein, um eine gleichmäßigere Strömung des Trägerfluids radial nach außen aus dem zylindrischen, zum Verteilen dienenden Injektor 50 zu erhalten. Auf diese Weise strömt das Trägerfluid nach unten über die gesamte Oberfläche der Rampe 12, ohne dass es zu Oberflächenturbulenzen kommt.
Wie in der 3 gezeigt ist, können sich die Partikel auf der obersten Fläche des Trägerfluids unter Verwendung eines Suspensions-Injektors 52 ablagern und befördert werden. Der Suspensions-Injektor 52 kann die Form eines zylindrischen porösen Injektors haben und demjenigen ähnlich sein, der für die Verteilung des Trägerfluids verwendet wird. Wie in der 3 gezeigt ist, erstreckt sich der Suspensions-Injektor 52 stromabwärts der Stelle des Injizierens des Trägerfluids, d.h. unterhalb des Zylinders 50, quer zur Rampe 12. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Partikel, die sich aneinander lagern sollen, um die Monolage zu bilden, in einer Flüssigkeit suspendiert. Die Suspensionsflüssigkeit wird dem Injektor 52 zugeführt und dazu gebracht, durch dessen Wände radial nach außen auf das unter dem Injektor 52 strömende Trägerfluid zu fließen.
Die zylindrischen porösen Injektoren 50 und 52 stehen jeweils in Strömungsverbindung mit einem Trägerfluidzufuhrsystem 54 und einem Suspensionszufuhrsystem 56.
Wie in der 4 gezeigt ist, umfasst das Trägerfluidzufuhrsystem 52 eine Gasverteil- und Reguliereinheit 57, die funktionell mit einem Verteilerbehälter 58, ersten und zweiten Trägerfluidbehältern 60 und 62 und einem Feineinstellungsbehälter 64 verbunden ist. Die Rolle der Gasverteil- und Reguliereinheit 57 besteht darin, die Behälter 58, 60, 62 und 64 unter Druck zu setzen und den darin herrschenden Druck auf einem gewünschten Wert zu halten. Der Druck wird in Übereinstimmung mit der gewünschten Ausgabeströmung bestimmt. Das Trägerfluid wird in dem ersten und dem zweiten Behälter 60 und 62 gelagert. Ein Wechselsystem 68 ist funktionell mit dem ersten und dem zweiten Behälter 60 und 62 verbunden, um wahlweise einen der Behälter 60 oder 62 zu öffnen. Während der eine Behälter aufgefüllt wird, kann das System auf diese Weise durch den anderen Behälter gespeist werden. Wenn nur ein einziger Behälter verwendet wird, muss das System abgeschaltet werden, um das Füllen des Behälters zu ermöglichen. Dementsprechend fließt das Trägerfluid aus einem aus den beiden Behältern 60 und 62 ausgewählten Behälter zu einer Trägerfluid-Mischeinheit 66, in der das Trägerfluid mit einem von einem Feineinstellungsbehälter 64 zugeführten Zusatzstoff, wie beispielsweise einem säurehaltigen Mittel, gemischt wird.
Das Trägerfluid wird, nachdem es mit dem Zusatzstoff vermischt wurde, in den Verteilerbehälter 58 weitergeleitet, der als Puffer wirkt, um sicherzustellen, dass das Fluid dem porösen Injektor 50 mit dem gewünschten Druck zugeführt wird. Ein Ventil (nicht dargestellt) ist funktionell mit einem Steuersystem (nicht dargestellt) verbunden und ist der Auslassöffnung des Verteilerbehälters 58 funktionell zugeordnet, um die Strömung des Fluids, das dem porösen Injektor 50 zugeführt wird, zu regulieren. Es ist selbstverständlich, dass auch an der Auslassöffnung des Feineinstellungsbehälters 64 ein Regulierventil vorgesehen ist, um das Herausströmen des Fluids zu regulieren. Ebenso wird vorausgesetzt, dass das Wechselsystem 68 ein Paar Ventile an den entsprechenden Auslässen des ersten und des zweiten Behälters 60 und 62 umfasst.
Stromabwärts des porösen Injektors 50 ist eine Strömungsdrossel 70 vorgesehen, um sicherzustellen, dass der größte Teil des Trägerfluids aus dem porösen Injektor 50 radial nach außen und nicht entlang eines geraden Weges in Längsrichtung durch den Injektor hindurch fließt. Der kleine Teil des Trägerfluids, der durch die Strömungsdrossel 70 fließt, wird jedoch in einen Abfluss 72 oder alternativ zurück in den Verteilerbehälter 58 geleitet.
Die 5 zeigt das Suspensionszufuhrsystem 56. Wie der 5 zu entnehmen ist, ähnelt das Suspensionszufuhrsystem 56 dem Trägerfluidzufuhrsystem 54 insofern, dass es eine Gasverteil- und Reguliereinheit 57' umfasst, um den Innendruck der Behälter des Systems zu regulieren. Das System umfasst erste und zweite Behälter 60' und 62', einen Verteilerbehälter 58', einen Feineinstellungsbehälter 64' und einen Suspensionsbehälter 63. Die Partikel sind in einer in dem Suspensionsbehälter 63 enthaltenen Flüssigkeit suspendiert. Die Suspensionsflüssigkeit wird einer Suspensionsmischeinheit 66' zugeführt, in der die Suspensionsflüssigkeit mit einem von dem Feineinstellungsbehälter 64' zugeführten Zusatzstoff vermischt wird. Die Suspensionsflüssigkeit wird dann einer Wiederaufbereitungseinheit 74 zugeführt, in der die Suspensionsflüssigkeit, die den porösen Injektor 52 in Längsrichtung durchflossen hat zurückgeleitet wird. Die Wiederaufbereitungseinheit speist den ersten oder den zweiten Behälter 60' oder 62', während der andere der beiden Behälter 60'/62' in Strömungsverbindung mit dem Verteilerbehälter 58' steht. Eine Suspensionsverteilereinheit 68' ist vorgesehen, um von einem Behälter auf den anderen Behälter zu wechseln, indem das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassöffnungen des ersten und des zweiten Behälters 60' und 62' gesteuert wird. Wenn der erste Behälter 60' aufgefüllt wird, öffnet die Suspensionsverteilereinheit 68' somit die Auslassöffnung des zweiten Behälters 62', um es der Suspensionsflüssigkeit zu ermöglichen, aus dem zweiten Behälter 62' zu dem Verteilerbehälter 58' zu fließen. Die Strömung der Suspensionsflüssigkeit aus dem Verteilerbehälter 58' wird durch ein mit der Reguliereinheit verbundenes Regulierventil (nicht dargestellt) gesteuert. Die Suspensionsflüssigkeit verlässt den Verteilerbehälter 58' mit einem von der Gasverteil- und Reguliereinheit 57' festgelegten gewünschten Druck und fließt in den porösen Injektor 52'. Stromabwärts des porösen Injektors 52 ist eine Strömungsdrossel 70' vorgesehen, um die Sus pensionsflüssigkeit zwangsweise aus den porösen Wänden des Injektors 52 radial nach außen fließen zu lassen.
Wie in den 6 und 7 gezeigt ist, umfasst die Vorrichtung 10 ebenfalls vorzugsweise ein Überwachungssystem 80, um online Rückmeldungen über die Herstellung der Monolagen zu erhalten. Es wurde festgestellt, dass die Bildung der Monolage mit der Erzeugung einer Welle 82 oder Woge an der Oberfläche des Trägerfluids ungefähr 1 oder 2 cm stromaufwärts des nachlaufenden Endes der Monolage einhergeht. Diese Welle oder Woge kann in vorteilhafter Weise benutzt werden, um das Wachstum der Monolage zu verfolgen. Durch Ermittlung der Position der Welle 82 kann man feststellen, wie viele Partikel sich aneinandergelagert haben. Auf diese Weise ist es möglich, die Geschwindigkeit der Ausgabefördereinrichtung 20 und die Verteilrate der Partikel zu steuern, so dass die Anzahl der zugeführten Partikel gleich der Anzahl der aneinandergelagerten Partikel der Monolage ist, die von der Ausgabefördereinrichtung von dem Damm 18 entfernt werden.
Die Position der Welle und somit des nachlaufenden Endes der entstehenden Monolage wird beispielsweise erfasst, indem ein Strahl aus Licht oder Ultraschall auf die Oberfläche des Trägerfluids stromabwärts des zweiten porösen Injektors 52 gerichtet und der reflektierte Strahl empfangen wird. Wie in der 7 gezeigt ist, wird die Position der Welle als Funktion des Reflexionswinkels des einfallenden Strahls erfasst.
Versuchsanordnungen
Der dem Schema der 1 folgende Prototyp wurde bei einigen vorausgegangenen Versuchen mit dem vorliegenden Verfahren verwendet. Bei dem Prototyp wurden im oberen Abschnitt der Rampe angeordnete Spritzen als Injektoren sowohl für das Trägerfluid als auch für die Partikelsuspension verwendet. Der Kolben der Spritzen wurde durch ein Betätigungselement angetrieben, dass aus einer auf den Kolbenkopf drückenden Platte bestand, die durch eine sich mit konstanter Geschwindigkeit drehende Schraube betä tigt wurde. Ein Betätigungselement, das unter dem Namen "Harvard Apparatus 22 Syringe Pusher" bekannt ist, kann verwendet werden. Vor dem Injizieren wurden das Volumen jeder Spritze und die Oberfläche des Kolbens verwendet, um die Geschwindigkeit der Längsverschiebung des Kolbens zu bestimmen und die gewünschte Injektionsrate zu erhalten. Die Nadel jeder Spritze wurde in einem Rohr ausgerichtet, das an der Grenzfläche Luft/Wasser endete. Das Trägerfluid wurde so gewählt, dass es in der Lage ist, Partikel problemlos auf seiner Oberfläche die Rampe hinab zu befördern. Gemäß diesem speziellen Beispiel handelte es sich bei dem Trägerfluid um Wasser.
Es wurden Partikel im Mikrometerbereich gewählt, um für das bloße Auge sichtbare optische Effekte zu erzielen: die Änderung des Aussehens der Oberfläche der Flüssigkeit von milchig zu schillernd wurde benutzt, um die Bildung von dünnen Filmen zu überwachen.
Das Verfahren bestand aus dem Ausrichten der Partikel auf der Oberfläche der Trägerflüssigkeit, die durch Gravitation entlang der obersten Fläche der Rampe floss. Als ein Damm in Form einer beweglichen Barriere am unteren Ende der Rampe angeordnet wurde, kam es zu dem Schillern, wodurch der Beginn der Bildung eines dünnen Films auf der Oberfläche des Trägerfluids angezeigt wurde. Bei vorausgegangenen Versuchen wurde die Zufuhr der Partikel unterbrochen, sobald eine ausreichend große Filmfläche oder Monolage erzeugt worden war. Nach dem Verdunsten der Trägerflüssigkeit von der obersten Fläche der Rampe war der so erhaltene Film gleichmäßig und zeigte keine sichtbaren Fehler, wobei das Schillern permanent blieb.
Auf die gleiche Weise wurden ebenfalls Monolagen aus Lipiden hergestellt. Die Monolagen wurden erzeugt, indem ein amphiphiles Molekül, Dioleoylphosphaticdylcholin (DOPC), verwendet wurde. Dieses Molekül wurde mit Benzol gemischt und die Lösung (typischerweise 10^–4 M) auf die Grenzfläche Luft/Wasser unter Verwendung des oben beschriebenen Injektors aufgebracht. Die Konzentration wurde so eingestellt, dass die Injek torströmung und die Herstellungsrate der Monolage in einem Verhältnis von ungefähr 1 mm pro Sekunde ausgeglichen waren. Die Existenz der Monolage wurde durch die hydrophoben Eigenschaften des Substrats, auf das die Monolage überführt wurde, nachgewiesen. Die Effizienz der Monolagenherstellung konnte ebenfalls ermittelt werden, da das Volumen der injizierten Lösung sowie die Konzentration der Lösung und die molekulare Fläche sowie ferner die Gesamtfläche der bedeckten Oberfläche des festen Substrats bekannt waren.
Aufnahmesystem für Monolagen und Multilagen
Es gibt zwei Situationen, die das Aufnehmen der sich bildenden Monolage betreffen.

(a) im ersten Fall kann die Partikellage direkt auf der Rampe aufgenommen werden, so dass sie nicht auf ein Substrat überführt werden muss. Unter diesen Umständen hält eine am unteren Ende der Rampe angeordnete Barriere den Partikelstrom zurück, um die Monolage wachsen zu lassen. Wenn der Prozess angehalten wird, kann das Trägerfluid verdunsten oder unterhalb der Barriere hindurchfließen oder von der Rampe absorbiert werden oder an Ort und Stelle (durch Kühlen, Polymerisation oder andere Verfahren) verfestigt werden. Nach diesem Prozess wird die beschichtete Platte entfernt.
(b) im zweiten Fall wird die Barriere durch einen Träger ersetzt, der das Substrat hält, auf dem die Monolage platziert werden soll. Dieses Substrat kann starr, flexibel oder sogar fließfähig sein. Im Fall von starren Substraten, wie beispielsweise Objektträgern von Mikroskopen, ist die Größe der herstellbaren Monolage eindeutig durch die Abmessungen des Substrats selbst begrenzt. Wenn das Substrat in Form eines Fluids vorliegt, ist die Grenze im Wesentlichen die Fläche der zu bedeckenden Oberfläche. Andererseits erlaubt die Verwendung von flexiblen Substraten, wie aufgerollten Kunststoffbändern, Teflon, Papier oder Seide (wobei diese Aufzählung kei nesfalls vollständig ist) eine kontinuierliche Herstellung und Überführung von Partikeln, die nur durch die Injektionskapazität eingeschränkt wird.

Die Überführung der Monolage von der Oberfläche des Trägerfluids auf das Substrat wird durch Manipulation der Wechselbeziehungen der drei Substanzen durchgeführt: den aneinandergelagerten Partikeln, dem Trägerfluid und dem Substrat. Beispiele für eine derartige Manipulation können sein: abstoßende oder anziehende Kräfte, hydrophile, hydrophobe oder chemische Affinität, Wechselbeziehungen, die auf elektrischer Ladung oder magnetischen Feldern beruhen. Durch das Übereinanderlegen von aufeinander folgenden Lagen, die durch das oben beschriebene Verfahren gebildet wurden, können auch Multilagen erzeugt werden.
Arten von Partikeln
Gemäß der vorliegenden Erfindung können Partikel aller Größen und Formen verwendet werden. Das endgültige für die Industrie bestimmte Produkt legt die Größe, Form, Art, Zusammensetzung und Oberflächeneigenschaften der Partikel fest. Die Partikel können einen Nanometer klein sein (Fettsäuren, Fettalkohol, C₆₀ (Buckminster Fulleren), Pigmente, magnetische Cluster), einige Nanometer (Proteine: Enzyme, molekulare Pumpen, Ionenkanäle, Antikörper), ein paar Dutzend Nanometer (Viren, große Makromoleküle, kleine metallische und nichtmetallische Kolloide), Hunderte von Nanometern (Latexpartikel, durchschnittliche Kolloide, große Viren) groß sein, Partikel im Mikrometerbereich (Bakterien, kleine Zellen, Glaskügelchen, optische Partikel) und Partikel in der Größenordnung von zehn Mikron (Zellen, große Kolloide, Fasern, Linsen) sein.
Gravitationsfeld: es wird das natürliche Gravitationsfeld der Erde benutzt. Jeder massive Körper kann jedoch sein eigenes Gravitationsfeld erzeugen. Darüber hinaus kann in der Zukunft ein künstliches Gravitationsfeld oder ein physikalischer Effekt, der ähnliche Effekte auf die Masse erzeugen kann (beispielsweise die Zentrifugalkraft) als geeignet angesehen werden, um die auf das Trägerfluid wirkende Antriebskraft zu erzeugen.
Das die Partikel vorwärts tragende Fluid kann jede beliebige Flüssigkeit sein und wird manchmal Subphase genannt. Es kann wässrig oder nichtwässrig, reines Wasser, geschmolzene Metalle, flüssiger Stickstoff usw. sein. Seine Rolle besteht darin, die Partikel durch jede beliebige Kombination von Kräften, darunter auch das Archimedische Prinzip, Elektrostatik, Magnetismus, Auftrieb, Hydrophobie usw., an seiner Oberfläche zu halten.
Behandlung von Monolagen
Die mechanischen, thermischen, elektrischen, magnetischen, optischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von Monolagen werden durch die Wahl und die Orientierung der Partikel bestimmt. Durch die extreme Dünne der Monolagen und die Orientierung der Partikel werden außergewöhnliche Leistungsfähigkeiten geschaffen: schnelle Wärmeableitung, hohe Kapazität, hohe Durchlässigkeit, sensible Massen, chemische und biologische Detektion, zweidimensionale Kristalle, Quantenpunkt-Arrays, Tunneleffekte, hohe Informationsdichte, Supraleitfähigkeit usw.
Das sequentielle Aneinanderlagern der Partikel kann parallel zu einer physikalischen oder chemischen Behandlung der Partikel erfolgen, beispielsweise durch elektromagnetsicher Bestrahlung: sie kann irgendwo zwischen Mikrowellen und Gammastrahlen liegen, um zu schmelzen, zu ionisieren, zu polymerisieren, zu oxidieren und weitere chemische Reaktionen hervorzurufen. Das Hinzufügen von Enzymen, chemischen Reagenzien, Katalysatoren, Bindemitteln für die Vernetzung von Partikeln, Reinigungsmitteln, Lösungsmitteln usw. ist möglich.
Arten von Monolagen und Multilagen
Eine Monolage ist ein zweidimensionales Gebilde. In diesem Gebilde können sich die Partikel so frei wie in einem Gas oder mit einigen Einschränkungen wie in einer Flüssigkeit bewegen oder wie in einem Feststoff fixiert sein. Der Feststoff kann entweder amorph oder kristallin sein.
Mit dem vorliegenden Verfahren können kontinuierlich mehrere Meter große Monolagen für sehr große industrielle Produktionen hergestellt werden. Im entgegengesetzten Fall können die Monolagenstreifen für Mikroelektronik und biologische Detektion nur einen Mikrometer groß sein. Durch die Schnelligkeit und Vielseitigkeit des vorliegenden Verfahrens, kann die Art der zu Monolagen zusammengefügten Partikel während der Herstellung verändert werden, um Monolagen aus verschiedenen Arten von Material herzustellen. Die Gleichmäßigkeit des Verfahrens kann ausgenutzt werden, um unterschiedliche Streifen parallel oder senkrecht zur Hauptachse der Herstellung zu erzeugen.
Das vorliegende Verfahren ist in der Lage, Monolagen jeder beliebigen Art auf jede Art von Oberfläche, Flüssigkeit oder Feststoff aufzubringen. Diese Vielseitigkeit bei der Beschichtung bietet ein enormes Anwendungspotential. Die Oberflächen können entweder hydrophob oder hydrophil sein. Darüber hinaus ist die Rauheit der Oberfläche für die Effizienz der Überführung der Monolage auf die Oberfläche selbst nicht wichtig. Gewissermaßen kann jede beliebige Oberfläche mittels des vorliegenden Verfahrens beschichtet werden.
Wenn eine einzelne Monolage hergestellt worden ist, kann eine weitere Lage auf ihr platziert werden. Dieses Übereinanderlagern von Lagen wird Multilage genannt. Da das vorliegende Verfahren sehr schnell und kontinuierlich ist, kann eine unbegrenzte Anzahl von Übereinanderlagerungen erreicht werden, indem die Lagen beispielsweise auf ein Rad aufgewickelt werden. Das vorliegende Verfahren ist in der Lage, Monolagen übereinander zu lagern, die aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt wurden. Dieses Übereinanderlagern oder gut orientierte und arrangierte Partikel werden molekulare Architektur genannt.
Anwendungsbeispiele
Wie oben erwähnt wurde, wird eine Monolage aus Partikeln hergestellt. Sie können aus einer einzigen Art von Partikeln bestehen, die die Monolage bilden, sie können jedoch auch aus einer Kombination von Partikeln bestehen, um die Monolage mit bestimmten erwünschten Effekten auszustatten. Durch die unermessliche Auswahl von derzeit auf dem Markt erhältlichen Partikeln in Kombination mit Partikeln, die beim derzeitigen Stand der Technik in Physik/Chemie-Laboratorien synthetisch hergestellt werden können, schafft das vorliegende Verfahren eine quasi unbegrenzte Auswahl von verwendbaren Materialien und daher daraus herzustellenden Monolagen.
Mechanik
Das vorliegende Verfahren erzeugt fehlerfreie Monolagen. Die gewählten Partikel können weich oder hart, beweglich oder fixiert sein. Somit können die Oberflächeneigenschaften von reibungsfrei bis stark reibend, von nicht nichtklebend bis klebend, von hart bis weich, von plastisch bis elastisch eingestellt werden.
Durch die Dünne der Monolage werden die mechanischen Eigenschaften wie die spezifische Masse pro Fläche, Wellengeschwindigkeit und Elastizität stark gestört, wenn sie von einem Fremdkörper berührt werden. Diese spezifischen Eigenschaften können bei der Erkennung von kleinen Objekten, wie Staub, Viren oder speziellen anhaftenden Substanzen (Antikörper oder chemischen Reagenzien) nützlich sein.
Thermik
Das sehr große Oberflächen/Volumenverhältnis verleiht der Monolage eine enorm schnelle Wärmeableitungskapazität. Es könnte sich hier ein Weg zeigen, um die Wärmemauer zu durchbrechen, mit der die heutige Computer-Industrie zu kämpfen hat.
Chemie
Aufgrund des hohen Oberflächen/Massenverhältnisses zeigt eine Feststoffkatalyse in einem Monolagenverband eine höhere Aktivität. Die Beförderung von reaktiven Elementen und Produkten ist einfacher und die Fluidsensoren können empfindlicher eingestellt werden.
Monolagen oder Multilagen können zwischen zwei verschiedenen Fluidphasen platziert werden, um Reaktionen an ihrer Grenzfläche zu steuern und zu katalysieren. Einem exzellenten Beispiel für eine derartige Strategie begegnet man in der Natur bei der Photosynthese. Blätter bestehen aus Lipid-Doppelschichten, in denen Proteine, die die Nanofabriken für die Umwandlung der Sonnenenergie darstellen, eingebettet sind. Sie sind nanoelektrolytische Zellen, die Sauerstoff und Nahrung für das gesamte Leben auf der Erde liefern. Daher können synthetische chemische oder biochemische Vorrichtungen, die auf Nanofabriken enthaltenden Monolagen basieren, hergestellt werden.
Elektrik
Die Wahl von leitenden Materialien erlaubt die Herstellung von dünnen Leitern. Die Anordnung derartigen Folien im Wechsel mit Monolagen aus nichtleitenden Materialien führt zu großen Oberflächen, die durch dünne Isolatoren in Nanometerstärke getrennt sind. Der Qualitätsgrad der Monolagen muss jedoch hoch genug sein, damit es nicht zu Defekten kommt, durch die elektrische Ladungen fließen könnten. Beispielsweise ist die Lipid-Doppelschicht, die die äußere Hülle von Nervenfasern bildet, nur ungefähr 4 Nanometer dick, und sie kann Spannungen von ungefähr 0,2 Volt aushalten, woraus sich ein gewaltiges elektrisches Feld in der Größenordnung von 100 Millionen Volt pro Meter für ihren Querschnitt errechnen lässt. Das vorliegende Verfahren bietet einen Weg, durch den Anordnungen mit hoher Kapazität direkt auf dem Silikon von integrierten Schaltkreisen aufgebaut werden können.
Elektronik
Das vorliegende Verfahren kann sehr dünne Isolierschichten für bessere Feldeffekttransistoren erzeugen. Durch die hohe Qualität der Monolage und die riesige Auswahl von Isoliermaterialien kann die elektrische Ladung länger gehalten und es ist weniger Energie zum Aufladen erforderlich. Dies ist für lange haltende elektrostatische Speicher von Bedeutung.
Auf dem Gebiet der Nanolithografie hat sich vor kurzem herausgestellt, dass die Linien schärfer sind, wenn sie auf Monolagen geschrieben werden, was durch die extreme Dünne verursacht wird. Es wurden Linien mit nur wenigen Nanometern Breite und mit ebensolchem Abstand gezeichnet, was den Weg für einen neuen Durchbruch in der Nanotechnologie öffnet. Das vorliegende Verfahren schafft eine gleichmäßige Beschichtung, wodurch die Produktion von Schaltkreisen mit sehr hoher Dichte ermöglicht wird. Darüber hinaus bedeutet die Möglichkeit, die Monolagen übereinander zu lagern, dass die Dichte der Nanoschaltkreise mit der Anzahl der übereinander gestapelten Monolagen vervielfacht werden kann.
Die Abmessungen im Nanometerbereich bedeuten auch, dass Quantenelektronik, wie beispielsweise das Tunneln von Elektronen, in profitabler Weise durchgeführt werden kann.
Magnetismus
Die magnetische Induktion ist schneller, einfacher und intensiver auf einer sehr dünnen Membran, wie einer Monolage. Es können mehr Spulen in einem vorgegebenen Raum angeordnet werden.
Mit Monolagen können dünne Vorrichtungen zum Messen und unter Verwendung des Hall-Effekts und Quanten-Magnetfeldern geschaffen werden.
Das vorliegende Verfahren bietet hohe Gleichmäßigkeit und perfekte Steuerung für die Ablagerung von magnetischen Partikeln zum Herstellen von Oberflächen mit hoher Dichte für magnetische Anwendungsbereiche für die Massenspeicherung von Daten.
Supraleiter
Entsprechend der gegenwärtigen Entwicklung auf dem Forschungsgebiet der Supraleiter, handelt es sich bei den besten Supraleitern tatsächlich um Multilagen mit zweidimensionalen Leitern. Das vorliegende Verfahren erzeugt zweidimensionale kristalline, kristallähnliche und amorphe Strukturen mit hoher Qualität für einen großen Dickenbereich und mit großer Materialauswahl. Monolagen von zweidimensionalen Supraleitern, Leitern oder Isolatoren mit speziellen magnetischen Eigenschaften können in beliebiger Reihenfolge übereinander gelagert werden, um Multilagenanordnungen zu schalten.
Optik
Die Dünne der Monolagen kann eingestellt werden, um eine große Auswahl von Interferenzfiltern, Linsen oder Reflektoren für Wellenlängen vom Röntgenbereich bis zum Infrarotbereich herzustellen. Kontrollierte Dünne ist ebenfalls wichtig für optische Tunneleffekte.
Wenn optisch aktive oder doppeltbrechende Materialien verwendet werden, steht eine große Anzahl von chiralen Effekten zur Verfügung, einschließlich ellipsometrischer Effekte und Kerr-Effekte.
Mit zweidimensionalen (2D) Arrays aus Partikeln können auch Interferenz-Effekte erzielt werden, da das vorliegende Verfahren hohe Gleichmä ßigkeit und perfekte Steuerung der Ablagerung von optischen Partikeln und 2D-Kristallen bietet.
Sämtliche Effekte können verwendet werden, um Holografien, elektronische Flachbildschirme und andere Bilder darstellende Geräte herzustellen. Eine gemäß dem Stand der Technik erzeugte Kombination von Monolagen kann Oberflächen erzeugen, die mit allen anderen Verfahren nicht nachgeahmt werden können. Daher ist die vorliegende Erfindung besonders geeignet, um Kreditkarten, Geldkarten, Papiergeld, Ausweise, Diebstahlsicherungen, Sicherheitssiegel und andere flächenartige Gebilde zur Identifikation zu erzeugen.
Filtration
Poren mit vorbestimmten Abmessungen, Formen und chemischen Eigenschaften können hergestellt werden, indem molekulare Pumpen oder ionische Kanäle in Monolagen eingefügt oder einige spezielle Partikel entfernt werden. Ferner können Fluide aufgrund der kurzen Längenausdehnung der Poren schnell durch die Monolagen fließen. Mit dem vorliegenden Verfahren sind die Poren gleich und optimiert, da ihre Anordnung sehr gut kontrolliert wird. Darüber hinaus kontrolliert das vorliegende Verfahren unter Ausnutzung der Eigenschaft der Partikel, sich selbsttätig zu gruppieren, ihre Anordnung im Nanometerbereich, was die Optimierung ihrer gleichmäßigen und homogenen Verteilung sicherstellt.
Abhängig von der Wahl des Durchmessers und der Form der Pore können Ionen, kleine Moleküle, Proteine, Viren, Zellen, Staub und andere in der Luft enthaltene Teilchen, Wasser oder andere Fluide zurückgehalten werden oder dürfen wahlweise passieren. Aufgrund der Vielseitigkeit der Kanäle, Poren oder anderer vorbestimmter Öffnungen, die durch die Monolage führen, gibt es Einsatzmöglichkeiten für Makrofiltration, Ultrafiltration, Osmose und Dialyse. Durch die Dünne der Monolage ist nur ein sehr kleines Druckgefälle für schnellen Durchfluss erforderlich.
Gesundheit, Nahrung und Umwelt
Das vorliegende Verfahren ist besonders gut geeignet, um mit weichen Materialien umzugehen, da die Beförderungszeit an der Grenzfläche während der Herstellung der Monolage nur sehr kurz ist. Daher können bei der Verwendung von Komponenten, die in Lebenssystemen anzutreffen sind, deren biologische Funktionen benutzt werden, um insbesondere Moleküle wie Proteine oder komplette Lebenssysteme wie Viren, Tumore oder Bakterien zu entdecken. In Kombination mit dem großen Verhältnis von Fläche zu Volumen der Monolagen kann ein hochempfindlicher Biosensor erzeugt werden.
Das vorliegende Verfahren ist für die zweidimensionale Kristallisation von Proteinen sehr gut geeignet. Dies könnte ein Verfahren für die Reinigung und Charakterisierung von Proteinen sein.
Wie das Langmuir-Verfahren kann das vorliegende Verfahren verwendet werden, um biomimetische Modelle herzustellen und lebende Systeme zu studieren. Es ist ein besseres Verfahren, da es schneller und gegenüber biologischem Material weniger aggressiv ist. Es ist nicht erforderlich, flüchtige Substanzen zu verwenden.
Die Effizienz der Filter aus Monolagen führt zu niedrigen Energiekosten für eine wirksame Entfernung von verschmutzenden Teilchen.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Monolagen aus Partikeln, umfassend eine filmbildende Oberfläche, ein Fluidzufuhrsystem, mit dem ein Film aus sich bewegendem Fluid auf diese filmbildende Oberfläche zugeführt wird, ein Partikelzufuhrsystem zum Aufbringen von Partikeln auf diesen Film, während das Fluid entlang der filmbildenden Oberfläche fließt, wobei dieser Fluidfilm die Partikel bis zu einem Damm befördert, wobei dieser Damm die einlaufenden Partikel veranlasst, sich nebeneinander anzusammeln und allmählich eine einzelne Partikelschicht zu bilden, sowie eine stationäre Monolagen-Überführungseinrichtung mit einer sich in eine einzige Richtung bewegenden Oberfläche, die stromabwärts dieses Dammes angeordnet ist und die einzelne Partikelschicht während der Entstehung der Schicht kontinuierlich aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidzufuhrsystem höher als der Damm gelegen ist, so dass das sich bewegende Fluid unter Einwirkung der Schwerkraft auf die filmbildende Oberfläche fließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die filmbildende Oberfläche eine geneigte Oberfläche umfasst, wobei das Fluidzufuhrsystem und das Partikelzufuhrsystem derart angeordnet sind, dass sie die Abwärtsbewegung des Fluids und der Partikel entlang der geneigten Oberfläche in Richtung des Dammes ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte Oberfläche Teil einer Rampe ist, die zwischen festen geneigten Stellungen verlagerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die filmbildende Oberfläche eine im Wesentlichen flache Oberfläche umfasst, die stationär bleibt, während die Partikel durch das sich auf der im Wesentlichen flachen Oberfläche fließend bewegende Fluid vorwärts getrieben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die filmbildende Oberfläche in einem vorbestimmten Neigungswinkel fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen flache Oberfläche eine hydrophile Oberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidzufuhrsystem einen porösen Injektor umfasst, der sich quer zur filmbildenden Oberfläche erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Injektor als Zylinder bereitgestellt wird, der einen mittigen Durchgang zur Aufnahme des sich bewegenden Fluids definiert, wobei dieser mittige Durchgang durch eine poröse Wand begrenzt wird, durch welche das sich bewegende Fluid zwangsgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidzufuhrsystem mindestens einen druckbeaufschlagten Vorratsbehälter zur Aufbewahrung des Fluids umfasst, wobei der Innendruck im Behälter entsprechend einer gewünschten Fließrate des sich auf der filmbildenden Oberfläche bewegenden Fluids auf einem festgelegten Wert gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidzufuhrsystem ferner eine Trägerfluid-Mischeinheit zum Mischen des aus dem mindestens einen druckbeaufschlagten Behälter zugeführten Fluids mit einem von einem Feineinstellungsbehälter zugeführten Zusatzstoff zur Bereitstellung einer Mischung umfasst, wobei die Mischung an einen druckbeaufschlagten Verteilerbehälter weitergeleitet wird, bevor sie auf die filmbildende Oberfläche verteilt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfluid-Mischeinheit wahlweise mit einem zweiten druckbeaufschlagten Behälter verbindbar ist, so dass die Vorrichtung selbst dann kontinuierlich betrieben werden kann, wenn der erste druckbeaufschlagte Behälter aufgefüllt werden muss.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidzufuhrsystem ferner einen porösen Injektor, der eine Wand aufweist, welche einen mit dem Verteilerbehälter strömungsverbundenen mittigen Durchgang definiert, sowie stromabwärts des porösen Injektors eine Strömungsdrossel umfasst, so dass von diesem mittigen Durchgang ein Fluidstrom durch diese Wand eingeleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelzufuhrsystem einen porösen Injektor umfasst, der dafür geeignet ist, einen Flüssigkeitsstrom, in dem die Partikel suspendiert sind, aufzunehmen, wobei der poröse Injektor derart positioniert ist, dass er die Partikel auf der Oberfläche des sich bewegenden Fluids, das unterhalb des porösen Injektors auf dieser filmbildenden Oberfläche fließt, verteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelzufuhrsystem einen Suspensionsbehälter und einen Feineinstellungsbehälter aufweist, die wahlweise mit einer Suspensionsmischeinheit strömungsverbunden werden können, welche wiederum mit einem Verteilerbehälter strömungsverbunden ist, wobei der Feineinstellungsbehälter einen der Suspensionsflüssigkeit zuzusetzenden Zusatzstoff enthält, sowie eine Druckbeaufschlagungseinheit aufweist, die einen gewünschten Druck in dem Suspensionsbehälter, dem Feineinstellungsbehälter und dem Verteilerbehälter aufrechterhält.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelzufuhrsystem eine Strömungsdrossel aufweist, mit der die in den porösen Injektor geleitete Flüssigkeit und Partikel größtenteils durch eine Wand des porösen Injektors nach außen geführt werden, sowie eine Wiederaufbereitungseinheit zur Aufnahme des Teils des Fluids, der durch die Strömungsdrossel geflossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederaufbereitungseinheit wahlweise mit einem Behälter eines Behälterpaares verbunden ist, welche wahlweise mit dem Verteilerbehälter strömungsverbunden werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Überwachungssystem, das das Wachstum der Monolage auf dem sich bewegenden Fluid online meldet, wobei die Position einer Welle an der Oberfläche des sich bewegenden Fluids stromaufwärts eines nachlaufenden Endes der entstehenden Monolage durch das Überwachungssystem erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungssystem einen Lichtstrahl auf das sich bewegende Fluid richten und einen von der Welle reflektierten zweiten Lichtstrahl empfangen kann.
Verfahren zur Herstellung von Monolagen aus Partikeln, umfassend folgende Schritte: Aufbringen von Partikeln auf ein entlang einer Oberfläche fließendes Trägerfluid derart, dass die Partikel von diesem Trägerfluid einer Bildungszone zugeführt werden, und Anstauen der durch den Fluidträger in diese Bildungszone transportierten Partikel, so dass sich die Partikel allmählich aneinanderlagern und eine dünne Schicht bilden und Bereitstellen einer Überführungseinrichtung stromabwärts dieser Bildungszone, wobei die Einrichtung eine sich in eine einzige Richtung bewegende Oberfläche aufweist, über die die Schicht während deren Entstehung abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerfluid unter Einwirkung der Schwerkraft entlang dieser Oberfläche fließen kann.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend folgenden Schritt: Regeln einer Strömungsgeschwindigkeit des Trägerfluids durch Einstellen eines Neigungswinkels dieser Oberfläche.
Verfahren nach Anspruch 20, umfassend die folgenden Schritte: Fließen lassen des Trägerfluids durch einen porösen Injektor, um so einen dünnen Film von sich bewegendem Fluid auf der Oberfläche zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, der darin besteht, die Partikel auf die Oberfläche des Trägerfluids aufzubringen, die folgenden Schritte umfasst: Suspendieren der Partikel in einer Flüssigkeit, um eine Suspensionsflüssigkeit zu bilden, und Fließen lassen dieser Suspensionsflüssigkeit durch einen porösen Injektor hindurch auf das oberhalb dieses porösen Injektors fließende Trägerfluid.
Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend die folgenden Schritte: Überwachen der Bildung einer Monolage an der Oberseite des Trägerfluids durch Erfassen der Position einer Welle an der Oberfläche des Trägerfluids.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Welle dadurch erfasst wird, dass ein Lichtstrahl auf das Trägerfluid gerichtet und der Reflexionswinkel gemessen wird.