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DE102020122857B4 - Process for the production of an ultra-thin free-standing 2D membrane with pores and its application-related modification and use of the 2D membranes produced using this process - Google Patents

Process for the production of an ultra-thin free-standing 2D membrane with pores and its application-related modification and use of the 2D membranes produced using this process Download PDF

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DE102020122857B4
DE102020122857B4 DE102020122857.0A DE102020122857A DE102020122857B4 DE 102020122857 B4 DE102020122857 B4 DE 102020122857B4 DE 102020122857 A DE102020122857 A DE 102020122857A DE 102020122857 B4 DE102020122857 B4 DE 102020122857B4
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monomers
water
water surface
standing
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Martin Presselt
Sarah Jasmin Finkelmeyer
Benjamin Dietzek
Maximilian Hupfer
Felix Herrmann-Westendorf
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Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen freistehenden 2D-Membran mit Poren (200) bei dem kovalente oder nichtkovalente Bindungen zwischen Monomeren an einer Wasser-Luft-Grenzfläche erfolgen, bei dem:• die Monomere in ein Lösungsmittel aufgenommen und mit diesem vermischt werden, so dass eine Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) entsteht,• diese Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) vereinzelt auf eine Wasseroberfläche (3) aufgebracht wird, wobei sich die Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) anordnet, das Lösungsmittel verdampft, die Monomere auf der Wasseroberfläche (3) verbleiben und sich das Wasser in einem offenen Becken (1) mit Wänden befindet, in welchem zwischen den zwei gegenüberliegenden Beckenwänden (11 und 12) eine gerichtete Bewegung der Wasseroberfläche (3) erzeugbar ist, in dem eine Schlepprolle (4) das Becken (1) zwischen den beiden Beckenwänden (11 und 12) in zwei Bereiche teilt und mit ihrem Querschnitt teilweise unter der Wasseroberfläche (3) um ihre Längsachse drehend bewegt wird und das Aufbringen der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) zwischen der ersten Beckenwand (11) und der Schlepprolle (4) erfolgt,• die Luft-zugewandte Oberfläche (41) der Schlepprolle (4) die Monomere von der Wasseroberfläche (3) aufnimmt und in Richtung der zweiten Beckenwand (12) wieder auf die Wasseroberfläche (3) abgibt und dabei komprimiert,• im Bereich hinter der Komprimierung in Richtung der Bewegung der Wasseroberfläche (3) hin zur zweiten Beckenwand (12) für kovalente Bindungen zwischen den Monomeren ein energetischer Initiator (5) befindlich ist und Energie (6) eingebracht wird,• in Folge der Wirkung der kovalenten Bindung eine 2D-Membran (8) aus den Monomeren an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) ausgebildet wird,• diese gebildete 2D-Membran (8) nachfolgend im Bereich der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) von einer, das poröse Trägermaterial (71) fördernden Rolle (7) in Richtung der Bewegung der Wasseroberfläche (3) hin zur zweiten Beckenwand (12) von der Wasseroberfläche (3) abgenommen wird, so dass das poröse Trägermaterial (71) auf seiner der Wasseroberfläche (3) zugewandten Seite in der Luft mit der 2D-Membran (8) als freistehende 2D-Membran beschichtet wird,• und abschließend das mit der freistehenden 2D-Membran versehene Trägermaterial (71) getrocknet wird,dadurch gekennzeichnet,dass als energetischer Initiator (5) ein Photoinitiator verwendet wird und als eingebrachte Energie (6) eingestrahltes UV-Licht (6) zur Polymerisation der Monomere eingestrahlt wird,wobei nach dem Schritt der Polymerisation ein Waschschritt in einem vom Wasserbecken abgetrennten Lösungsmittelbad, das ein Lösungsmittel für nicht polymerisierbare kleine Moleküle (300) enthält, erfolgt, wobei im ersten Schritt des gesamten Verfahrens den Monomeren die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) zugemischt werden, so dass eine Monomeren-Moleküle-Lösungsmittelmischung entsteht, um durch das Herauslösen der nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) Poren (200) in der ultradünnen freistehenden 2D-Membran zu generieren.A method of making an ultrathin 2D freestanding porous membrane (200) involving covalent or noncovalent bonding between monomers at a water-air interface, comprising:• taking the monomers into and mixing with a solvent such that a Monomer-solvent mixture (2) is formed • this monomer-solvent mixture (2) is applied individually to a water surface (3), the monomer-solvent mixture (2) arranging itself at the water-air interface (13) and the solvent evaporating , the monomers remain on the water surface (3) and the water is in an open pool (1) with walls, in which a directed movement of the water surface (3) can be generated between the two opposite pool walls (11 and 12), in which a drag roller (4) divides the pool (1) between the two pool walls (11 and 12) into two areas and with its cross-section partially below the water surface surface (3) is rotated about its longitudinal axis and the application of the monomer-solvent mixture (2) takes place between the first pool wall (11) and the drag roller (4),• the air-facing surface (41) of the drag roller (4) the absorbs monomers from the water surface (3) and releases them back onto the water surface (3) in the direction of the second pool wall (12) and thereby compresses them,• in the area behind the compression in the direction of movement of the water surface (3) towards the second pool wall (12 ) there is an energetic initiator (5) for covalent bonds between the monomers and energy (6) is introduced,• as a result of the effect of the covalent bond, a 2D membrane (8) made of the monomers at the water-air interface (13 ) is formed, • this formed 2D membrane (8) subsequently in the region of the water-air interface (13) by a, the porous carrier material (71) promoting roller (7) in the direction of movement of the water surface (3) towards second be back wall (12) is removed from the water surface (3), so that the porous carrier material (71) is coated on its side facing the water surface (3) in the air with the 2D membrane (8) as a free-standing 2D membrane,• and finally the carrier material (71) provided with the free-standing 2D membrane is dried, characterized in that a photoinitiator is used as the energetic initiator (5) and radiated UV light (6) is used as the energy (6) to polymerize the monomers the polymerization step being followed by a washing step in a solvent bath separated from the water tank and containing a solvent for non-polymerizable small molecules (300), in the first step of the entire process the non-polymerizable small molecules (300) are admixed with the monomers be so that a monomer-molecule-solvent mixture is formed in order to solve by the non-polymerizable small n molecules (300) to generate pores (200) in the ultra-thin free-standing 2D membrane.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen freistehenden 2D-Membran mit Poren gemäß Hauptanspruch 1 sowie ihre anwendungsbezogene Modifikation und Verwendung der über dieses Verfahren hergestellten Membranen.The invention relates to a method for producing an ultra-thin, free-standing 2D membrane with pores according to main claim 1 and its application-related modification and use of the membranes produced by this method.

Die Eigenschaften von Membranen, wie bspw. Durchsatz bei Diffusion, Permeabilität, Permselektivität, elektrische und optische Charakteristika, hängen entscheidend von der Dicke der jeweils verwendeten Membran ab, welche bis in den Nanometerbereich reichen kann.The properties of membranes, such as diffusion throughput, permeability, permselectivity, electrical and optical characteristics, depend decisively on the thickness of the membrane used, which can reach into the nanometer range.

Für einige Anwendungen sind besonders dünne Membranen erforderlich [bspw. in der Elektronik (hier können die elektrischen und optischen Membraneigenschaften auch durch die Wahl der Monomere beeinflusst werden) oder bei der Filtration].Particularly thin membranes are required for some applications [e.g. in electronics (here the electrical and optical membrane properties can also be influenced by the choice of monomers) or in filtration].

Darüber hinaus setzen spezifische Funktionen und Eigenschaften der Membranen (bspw. Polarisierung, Änderung der Grenzflächenspannung, der Permeabilität oder andere Eigenschaften) eine einheitliche Orientierung der in der Membran eingebetteten oder die Membran aufbauenden Moleküle voraus und erfordern die zielgerichtete Einstellung ihrer supramolekularen Struktur.In addition, specific functions and properties of the membranes (e.g. polarization, change in interfacial tension, permeability or other properties) require a uniform orientation of the molecules embedded in the membrane or the molecules that make up the membrane and require the targeted adjustment of their supramolecular structure.

Beispiele für verschiedenster Membranfunktionen und die Herstellung dieser sind folgend unter Punkt 1 bis 3 aufgeführt.Examples of various membrane functions and the production of these are listed below under points 1 to 3.

1. Kontinuierliche Herstellung von Polymermembranen1. Continuous production of polymer membranes

WO 1993/022 069 A1 offenbart bspw. ein System zur kontinuierlichen Erzeugung von Langmuir- und Langmuir-Blodgett-Folie (Folie für eine Spritzgussform zur Herstellung von Funkwellenübertragungsteile für Fahrzeuge) umfassend

  • • einen Muldenschieberbettförderer mit einem Endlosband,
  • • ein Element zum Zuführen einer unterphasigen Flüssigkeit zur Flüssigkeitsextrusion-Öffnung mit einer zur Geschwindigkeit des Förderers proportionalen Geschwindigkeit, so dass die gewünschte Tiefe der Flüssigkeit ohne Strömung relativ zum Muldenband aufrechterhalten wird;
  • • ein Element, das Langmuir-Film bildende Flüssigkeiten und Suspensionen mit einer zur Geschwindigkeit des Förderers proportionalen Geschwindigkeit auf die Oberfläche der Unterphasenflüssigkeit abgibt, so dass eine vorbestimmte Filmdicke beibehalten wird,
und
  • • ein Element zum Übertragen des Films auf ein festes Substrat.
WO 1993/022 069 A1 discloses, for example, a system for continuously producing Langmuir and Langmuir-Blodgett film (film for an injection mold for manufacturing radio wave transmission parts for vehicles).
  • • a troughing bed conveyor with an endless belt,
  • • an element for supplying a subphase liquid to the liquid extrusion orifice at a rate proportional to the speed of the conveyor so that the desired depth of the liquid is maintained with no flow relative to the troughed belt;
  • • an element that dispenses Langmuir film-forming liquids and suspensions onto the surface of the subphase liquid at a rate proportional to the speed of the conveyor so that a predetermined film thickness is maintained,
and
  • • an element for transferring the film to a solid substrate.

2. Selektive Membran zur Detektion kleiner Moleküle2. Selective membrane for detecting small molecules

Aus der US 2004/0072360 A1 ist bspw. ein Halbleiterbauelement für den Nachweis von Stickoxidmolekülen (NO) in Gasgemischen, in biologischen Flüssigkeiten und in wässrigen Lösungen bekannt. Bei dem Bauelement handelt es sich um einen molekular gesteuerten Halbleiterwiderstand (MOCSER) mit einer mehrschichtigen GaAs-Struktur, an dessen oberste Schicht eine Schicht multifunktioneller NObindender Moleküle adsorbiert ist. Die Empfindlichkeit der Halbleitervorrichtung gegenüber NO ist unabhängig von der Zusammensetzung der Mischung. Stickoxid-Konzentrationen von nur 10 ppb NO wurden in Mischungen mit verschiedenen Verunreinigungen nachgewiesen.From the U.S. 2004/0072360 A1 For example, a semiconductor component for the detection of nitrogen oxide molecules (NO) in gas mixtures, in biological liquids and in aqueous solutions is known. The device is a molecularly controlled semiconductor resistor (MOCSER) with a multilayer GaAs structure with a layer of multifunctional NO-binding molecules adsorbed on the top layer. The sensitivity of the semiconductor device to NO is independent of the composition of the mixture. Nitrogen oxide concentrations as low as 10 ppb NO have been detected in mixtures with various contaminants.

Die DE 10 2006 033 528 B3 offenbart eine Anordnung zur Detektion von Luftinhaltsstoffen, insbesondere zur Detektion von Luftinhaltsstoffen in Gebäuden und Fahrzeugen, bei der auf einem Substrat mehrere für Gas sensitive Wirkschichten sowie ein Heizer angeordnet sind, die mit einer Auswerteeinheit verbindbar sind, wobei der Heizer gleichzeitig ein Temperatursensor ist und der Widerstand des Heizers und die Widerstände der Wirkschichten über Elektroden mit insgesamt n+1 elektrischen Anschlüssen so verbunden sind, dass der Heizer an zwei Anschlüssen und n-1 weitere Anschlüsse mit Verbindungsstellen der Wirkschichten verbunden sind.the DE 10 2006 033 528 B3 discloses an arrangement for detecting air constituents, in particular for detecting air constituents in buildings and vehicles, in which several active layers sensitive to gas and a heater are arranged on a substrate, which can be connected to an evaluation unit, the heater being a temperature sensor at the same time and the Resistance of the heater and the resistances of the active layers are connected via electrodes with a total of n+1 electrical connections in such a way that the heater is connected to two connections and n-1 further connections with connection points of the active layers.

3. Freistehende, stabile Farbstoffmembranen zur Trennung von Reaktionsräumen, Ladungs- und Energietransfer3. Free-standing, stable dye membranes to separate reaction spaces, charge and energy transfer

Aus der WO 2018/229765 A1 ist bspw. ein freistehender Film auf der Basis aromatischer Materialien in Form eines Hybrids aus organischen kristallinen Materialien und anorganischen Kohlenstoff-Nanomaterialien bekannt. Der Film, der aus faserigen organischen Nanokristallen eines aromatischen Materials besteht, ist mechanisch und thermisch stabil. Dieser Film wird gegebenenfalls durch Hybridisierung mit einem Verstärkungsmaterial, wie Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffmaterial, eine Polysaccharid, einem Metall, einer Metalllegierung oder einem organischen Polymer verstärkt. Der Hybridfilm aus organischen Nanokristallen und Kohlenstoffnanoröhren weist eine hohe Leitfähigkeit und hohe thermische Stabilität auf. Die Filme oder Hybride dieser technischen Lösung werden als Mikrofiltrationsmembranen für verschiedene Materialien, in Elektroden oder Perowskit-Solarzellen verwendet.From the WO 2018/229765 A1 for example, a free-standing film based on aromatic materials in the form of a hybrid of organic crystalline materials and inorganic carbon nanomaterials is known. The film, composed of fibrous organic nanocrystals of an aromatic material, is mechanically and thermally stable. This film is optionally reinforced by hybridization with a reinforcing material such as carbon nanotubes, carbon material, a polysaccharide, a metal, a metal alloy, or an organic polymer. The hybrid film of organic nanocrystals and carbon nanotubes has high conductivity and high thermal stability. The films or hybrids of this technical solution are used as microfiltration membranes for various materials, in electrodes or perovskite solar cells.

WO 2019/074 618 A2 offenbart einen Sensor bestehend aus einem leitfähigen Bereich in elektrischer Verbindung mit mindestens drei Elektroden, wobei der leitfähige Bereich ein leitfähiges Material und einen redox-aktiven Selektor enthält, der so konfiguriert ist, dass er einen Analyten in einem ersten Redox-Zustand leichter bindet als in einem zweiten Redox-Zustand, wobei:

  • • das leitende Material ein Kohlenstoffmaterial enthält,
  • • das Kohlenstoffmaterial amorphen Kohlenstoff in Form von Graphen, Graphit, eines einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen oder eines mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen enthält
und
  • • das leitende Material ein leitendes Polymer ist.
WO 2019/074618 A2 discloses a sensor consisting of a conductive region in electrical communication with at least three electrodes, the conductive region containing a conductive material and a redox-active selector configured to more readily bind an analyte in a first redox state than in a second redox state, where:
  • • the conductive material contains a carbon material,
  • • the carbon material contains amorphous carbon in the form of graphene, graphite, a single-walled carbon nanotube or a multi-walled carbon nanotube
and
  • • the conductive material is a conductive polymer.

WO 2010/005 738 A1 offenbart einen Van-der-Pauw-Sensor (VDP-Sensor) mit einer elektronischen Schaltung, die elektrisch mit einer Oberfläche gekoppelt ist, wobei die Oberfläche ein Material vom Typ III-V umfasst und die elektronische Schaltung einen Schichtwiderstand der Oberfläche unter Verwendung einer VDP-Technik misst. WO 2010/005 738 A1 discloses a van der Pauw (VDP) sensor having an electronic circuit electrically coupled to a surface, the surface comprising a type III-V material and the electronic circuit measuring a sheet resistance of the surface using a VDP -Technique measures.

Der VDP-Sensor kann insbesondere ein Makromolekül, wie bspw. ein Porphyrin, ein Oligonukleotid, ein Protein, ein Polymer oder eine Kombination davon, in Kontakt mit der Oberfläche umfassen. Die VDP-Sensoren können in einem Array ähnlicher oder unterschiedlicher Sensoren angeordnet sein. Eine elektronische Schaltung, die elektrisch an ein Material vom Typ III-V mit einem zweidimensionalen Elektronengas, wie InAs oder InN, gekoppelt ist, wobei die elektronische Schaltung eine elektrische Eigenschaft des Materials vom Typ III-V mit einem zweidimensionalen Elektronengas misst.In particular, the VDP sensor may comprise a macromolecule such as a porphyrin, an oligonucleotide, a protein, a polymer or a combination thereof in contact with the surface. The VDP sensors can be arranged in an array of similar or different sensors. An electronic circuit electrically coupled to a two-dimensional electron gas type III-V material, such as InAs or InN, the electronic circuit measuring an electrical property of the two-dimensional electron gas type III-V material.

WO 2012/160 521 A1 lehrt einen Farbumwandlungsfilm, der mindestens eine aktive Schicht umfasst, wobei die Schicht einen organischen Fluoreszenzfarbstoff mit einem Fluoreszenzkern umfasst, wobei der Farbstoff durch mindestens ein Polymersegment substituiert ist. WO 2012/160 521 A1 teaches a color conversion film comprising at least one active layer, the layer comprising an organic fluorescent dye having a fluorescent core, wherein the dye is substituted with at least one polymeric segment.

Das Polymersegment ist dabei aus der Gruppe ausgewählt, die aus Poly(styrol), Poly(methylmethacrylat), Poly(butylmethacrylat), Poly(butylacrylat), Poly(isopren), Poly(butadien), hydriertem Poly(isopren), Poly(cycloocten), Poly(tetrafluorethylen) und seinen Copolymeren oder Poly(isobutylen) besteht und der fluoreszierende Kern ist dabei aus der Gruppe ausgewählt, die aus Naphthalinen, Perylenen, Terrylenen, Quaterrylenen besteht, und der gegebenenfalls monosubstituiert oder polysubstituiert ist.The polymer segment is selected from the group consisting of poly(styrene), poly(methyl methacrylate), poly(butyl methacrylate), poly(butyl acrylate), poly(isoprene), poly(butadiene), hydrogenated poly(isoprene), poly(cyclooctene ), poly(tetrafluoroethylene) and its copolymers or poly(isobutylene) and the fluorescent core is selected from the group consisting of naphthalenes, perylenes, terrylenes, quaterrylenes, optionally monosubstituted or polysubstituted.

WO 2019/191 326 A1 offenbart ein Photodialysegerät, das salzhaltige Ströme entsalzen kann. Dieses Gerät kann eine Entsalzungsrate haben, die deutlich schneller ist als die derzeitige solarthermische Entsalzungstechnologie. Salz wird aus Wasser entfernt, indem aus Sonnenlicht gewonnener Ionenstrom mit Hilfe von farbstoffsensibilisierten Membranen durch dieses Wasser geleitet wird. Das Gerät umfasst dabei:

  • a) eine Kammer (210) zur Aufnahme des Fluids und
  • b) eine Vielzahl von Ionenaustausch-(IX)-Membranen, die in der Kammer so angeordnet sind, dass sie die Kammer in vier Kammerabteile unterteilen, wobei mindestens eine der iX-Membranen einen photoaktiven Farbstoff umfasst, der kovalent an die iX-Membran gebunden ist (Farbstoff-sensibilisierte iX-Membran), woraufhin Belichtung mit einer Photonenquelle der photoaktive Farbstoff so konfiguriert ist, dass er eine regenerative lichtgesteuerte Dissoziationsreaktion oder lichtgesteuerte Assoziationsreaktion durchläuft, um ein positiv geladenes bewegliches Ion und/oder ein negativ geladenes bewegliches Ion zu erzeugen oder zu entfernen, wobei Ionen in dem Fluid zwischen Kammerabteilen transportiert werden, um die Entionisierung des Fluids in mindestens einem der Abteile zu bewirken.
WO 2019/191 326 A1 discloses a photodialysis machine capable of desalting saline streams. This device can have a desalination rate that is significantly faster than current solar thermal desalination technology. Salt is removed from water by passing an ion current derived from sunlight through this water using dye-sensitized membranes. The device includes:
  • a) a chamber (210) for receiving the fluid and
  • b) a plurality of ion exchange (IX) membranes arranged in the chamber so as to divide the chamber into four chamber compartments, wherein at least one of the iX membranes comprises a photoactive dye covalently bound to the iX membrane (dye-sensitized iX membrane), upon exposure to a photon source, the photoactive dye is configured to undergo a regenerative light-triggered dissociation reaction or light-triggered association reaction to produce a positively charged mobile ion and/or a negatively charged mobile ion, or to remove ions in the fluid between chamber compartments to effect deionization of the fluid in at least one of the compartments.

US 2019/092885 A1 offenbart eine Methode zur Modulation der Grenzflächenbenetzbarkeit einer nichtkovalenten nanoskopischen Monolage oder eines dünnen Films. Dazu wird ein Verfahren zum Modulieren der Grenzflächenbenetzbarkeit eines zweidimensionalen Materials (2D- Material) unter Verwendung einer molekularen Schicht gelehrt, die aus einem polymerisierbaren amphiphilen Monomer mit einem hydrophilen Kopf und einem hydrophoben Schwanz hergestellt ist, wobei eine verbesserte oder verringerte Benetzbarkeit des 2D-Materials durch eine geeignete Zuordnung der Position der polymerisierbaren Gruppe relativ zum hydrophilen Kopf und dem hydrophoben Schwanz erreicht wird. U.S. 2019/092885 A1 discloses a method for modulating the interfacial wettability of a noncovalent nanoscopic monolayer or thin film. To this end, a method is taught for modulating the interfacial wettability of a two-dimensional (2D) material using a molecular layer made from a polymerizable amphiphilic monomer having a hydrophilic head and a hydrophobic tail, with improved or reduced wettability of the 2D material is achieved by appropriate assignment of the position of the polymerizable group relative to the hydrophilic head and the hydrophobic tail.

Dieses Verfahren umfasst konkret die folgenden Schritte:

  • • Herstellen eines amphiphilen Monomers, Zuweisen einer geeigneten Position für die polymerisierbare Gruppe, relativ zum hydrophilen Kopf und zum hydrophoben Schwanz des amphiphilen Monomers;
  • • Zusammenfügen einer Monoschicht oder eines dünnen Films aus dem amphiphilen Monomer; und
  • • Polymerisieren des amphiphilen Monomers, wodurch dem 2D-Material eine verbesserte oder verminderte Benetzbarkeit verliehen wird.
  • • wobei sich die geeignete Position für die polymerisierbare Gruppe auf ihre Position relativ zu dem hydrophoben Schwanz und dem hydrophilen Kopf bezieht, was ein proximales Alkylkettensegment, das die polymerisierbare Gruppe und den hydrophilen Kopf verbindet, und ein terminales Kettensegment, das die polymerisierbare Gruppe und das Ende des hydrophoben Schwanzes verbindet, erzeugt.
Specifically, this procedure consists of the following steps:
  • • preparing an amphiphilic monomer, assigning an appropriate position for the polymerizable group relative to the hydrophilic head and hydrophobic tail of the amphiphilic monomer;
  • • assembly of a monolayer or thin film of the amphiphilic monomer; and
  • • Polymerize the amphiphilic monomer, giving the 2D material improved or reduced wettability.
  • • where the appropriate position for the polymerizable group refers to its position relative to the hydrophobic tail and the hydrophilic head, which is a proximal alkyl chain segment connecting the polymerizable group and the hydrophilic head, and a terminal chain segment connecting the polymerizable group and the connecting the end of the hydrophobic tail.

Polymermembranen werden konventionell durch kontinuierliche Nassspinnverfahren, Extrusion oder Rackelprozesse hergestellt, wobei sich die Membrandicke auf den Mikrometerbereich beschränkt. Nur im Labormaßstab ist durch das diskontinuierliche Spin-Coating auch der Nanometerbereich zugänglich.Polymer membranes are conventionally manufactured by continuous wet spinning, extrusion or racking processes, with the membrane thickness being limited to the micrometer range. The nanometer range is only accessible on a laboratory scale using discontinuous spin coating.

Im Folgenden sind Beispiele für verschiedene kontinuierliche Verfahren zur Herstellung von Dünnschichten / Filmschichten im Nanometerbereich aufgeführt.The following are examples of various continuous processes to produce nanometer scale thin films/film layers.

So offenbart die DE 44 47 353 C1 bspw. ein Verfahren zur Herstellung einer Filmschicht, die Strahlung selektiver Wellenlängen reflektiert und für die übrigen Wellenlängen transparent ist.So reveals the DE 44 47 353 C1 for example a method for producing a film layer which reflects radiation of selective wavelengths and is transparent to the remaining wavelengths.

Die Herstellung dieser Filmschicht erfolgt aus wässrigen oder organowäßrigen Lösungen von Mischungen aus Gelatine und Acrylaten und/oder Methacrylaten, die wasserlöslich oder in alkoholischen Lösungen löslich sind. Dabei werden dieser wässrigen oder organowässrigen Lösung Tenside zugegeben, und es können zusätzlich Induzierer und/oder Härtungsmittel zugemischt werden. Eine so hergestellte Lösung wird auf ein Trägermaterial, z.B. PET-Folie oder Glasscheiben, aufgebracht, getrocknet und nachfolgend mit kohärenten Strahlen des Wellenbereiches UV bis IR bestrahlt.This film layer is produced from aqueous or organo-aqueous solutions of mixtures of gelatin and acrylates and/or methacrylates which are water-soluble or soluble in alcoholic solutions. Surfactants are added to this aqueous or organo-aqueous solution, and inducers and/or hardeners can also be admixed. A solution produced in this way is applied to a carrier material, e.g. PET film or panes of glass, dried and then irradiated with coherent rays in the UV to IR wavelength range.

Ziel der Bestrahlung gemäß der DE 44 47 353 C1 ist die Interferenzausbildung in der so ausgebildeten Schicht.Target of the irradiation according to the DE 44 47 353 C1 is the interference formation in the layer thus formed.

Die WO 2014/184 303 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von Teilchen, die durch ein Substrat verbunden sind, das die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte umfasst:

  • • Herstellung eines kompakten Films aus festen Partikeln, die auf einer Trägerflüssigkeit schwimmen, wobei die festen Partikel gegebenenfalls Gegenstände zwischen sich halten;
  • • Aufsprühen von Partikeln auf die Seite des kompakten Films, die derjenigen gegenüberliegt, die in die Trägerflüssigkeit eingetaucht ist, derart, dass eine Schicht erzeugt wird, die ein Substrat bildet, das an den festen Partikeln haftet und
  • • Herausziehen der erhaltenen Anordnung aus der Trägerflüssigkeit.
the WO 2014/184 303 A1 discloses a method of making an array of particles connected by a substrate, comprising the following sequential steps:
  • • producing a compact film of solid particles floating on a carrier liquid, the solid particles optionally holding objects between them;
  • • spraying of particles on the face of the compact film opposite to that immersed in the carrier liquid in such a way as to create a layer constituting a substrate adhering to the solid particles and
  • • Withdrawing the arrangement obtained from the carrier liquid.

Aus der WO 2013/117 678 A1 ist ein Verfahren zum Übertragen von Gegenständen auf ein vorzugsweise sich bewegendes Substrat bekannt, wobei die zu übertragenden Gegenstände in einem Übertragungsbereich angeordnet werden, der eine Trägerflüssigkeit enthält, die einen Förderer bildet, wobei ein kompakter Teilchenfilm die Gegenstände auf der Trägerflüssigkeit des Übertragungsbereichs schwimmend hält, innerhalb dessen die Gegenstände mit dem Teilchenfilm bewegt werden, um auf das Substrat übertragen zu werden. Darüber hinaus umfasst das Verfahren die Herstellung von mindestens einem Verbinder auf mindestens einem der Objekte, wobei der Verbinder unter Verwendung einer Substanz hergestellt wird, die eine polymerisierbare Verbindung enthält, indem diese mit dem in der Transferzone angeordneten Objekt in Kontakt gebracht wird und dann die Substanz polymerisiert wird.From the WO 2013/117678 A1 a method is known for transferring items onto a preferably moving substrate, wherein the items to be transferred are placed in a transfer area containing a carrier liquid forming a conveyor, wherein a compact particle film keeps the items floating on the carrier liquid of the transfer area, within which the objects are moved with the particle film to be transferred to the substrate. In addition, the method comprises the production of at least one connector on at least one of the objects, the connector being produced using a substance containing a polymerizable compound by bringing it into contact with the object placed in the transfer zone and then the substance is polymerized.

Aus der WO 2011/050 232 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gradienten-Nano-Artikels, einer Gradienten-Nano-Beschichtung und einer Gradienten-Nano-Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex bekannt. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung einer ersten Lösung eines polymerisierbaren Materials in einem Lösungsmittel und die Bereitstellung einer ersten Umgebung in der Nähe eines ersten Bereichs der Beschichtung und einer anderen zweiten Umgebung in der Nähe eines benachbarten Bereichs der Beschichtung. Das Verfahren umfasst ferner die zumindest teilweise Polymerisation des polymerisierbaren Materials zur Bildung einer Zusammensetzung, die eine unlösliche Polymermatrix und eine zweite Lösung enthält. Die unlösliche Polymermatrix enthält eine Vielzahl von Nanogefäßen, die mit der zweiten Lösung gefüllt werden, wobei ein Hauptteil des Lösungsmittels aus der zweiten Lösung entfernt wird. Ein erster Volumenanteil der Vielzahl von Nanogefäßen in der Nähe des ersten Bereichs der Beschichtung ist kleiner als ein zweiter Volumenanteil der Vielzahl von Nanogefäßen in der Nähe eines benachbarten Bereichs der Beschichtung. Die Vorrichtung für dieses Verfahren umfasst eine Transportlinie, einen Beschichtungsabschnitt, einen Teilpolymerisationsabschnitt sowie einen Lösungsmittelentfernungsabschnitt.From the WO 2011/050 232 A2 a method and an apparatus for producing a gradient nano-article, a gradient nano-coating and a gradient nano-coating with a low refractive index are known. The method includes providing a first solution of a polymerizable material in a solvent and providing a first environment proximate a first area of the coating and a different second environment proximate an adjacent area of the coating. The method further includes at least partially polymerizing the polymerizable material to form a composition containing an insoluble polymer matrix and a second solution. The insoluble polymer matrix contains a plurality of nanovessels that are filled with the second solution, removing a major portion of the solvent from the second solution. A first volume fraction of the plurality of nanovessels proximate the first region of the coating is less than a second volume fraction of the plurality of nanovessels proximate an adjacent region of the coating. The apparatus for this method includes a transport line, a coating section, a partial polymerization section, and a solvent removal section.

Die WO 2003/095 108 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dünner Schichten aus Teilchen, wobei die Teilchen auf einem Trägerfluid abgeschieden werden, das durch Schwerkraft entlang einer zu einem Damm führenden Rampe fließt. Die Partikel werden am unteren Ende der Rampe zurückgehalten, wodurch die Partikel in einer Monoschicht-Anordnung gegeneinander gestapelt werden.the WO 2003/095 108 A1 discloses a method and apparatus for producing thin layers of particles wherein the particles are deposited onto a carrier fluid which flows by gravity along a ramp leading to a dam. The particles are at the bottom retained at the end of the ramp, causing the particles to stack against each other in a monolayer array.

Die Vorrichtung für dieses Verfahren zur Herstellung von Monoschichten aus Teilchen umfasst eine filmbildende Oberfläche, ein Fluidzufuhrsystem, um einen Film aus sich bewegendem Fluid auf der filmbildenden Oberfläche bereitzustellen, ein Teilchenzufuhrsystem zur Ablagerung von Teilchen auf dem Film, während das Fluid entlang der filmbildenden Oberfläche fließt, wobei der Fluidfilm die Teilchen zu einem Damm vorwärts trägt, wobei der Damm bewirkt, dass sich die ankommenden Teilchen Seite an Seite zusammenfinden, so dass sie allmählich eine Schicht aus Teilchen bilden.The apparatus for this method of making monolayers of particles includes a film-forming surface, a fluid delivery system to provide a film of moving fluid on the film-forming surface, a particle delivery system to deposit particles on the film while the fluid flows along the film-forming surface , the fluid film carrying the particles forward to a dam, the dam causing the incoming particles to gather side by side so that they gradually form a layer of particles.

Dabei ist das Fluidzufuhrsystem auf einer höheren Höhe als der Damm angeordnet, um es dem sich bewegenden Fluid zu ermöglichen, durch Schwerkraft auf der filmbildenden Oberfläche zu fließen, in dem die filmbildende Oberfläche eine geneigte Oberfläche aufweist, wobei das Fluidzufuhrsystem und das Partikelzufuhrsystem so angeordnet sind, dass das Fluid und die Partikel veranlasst werden, sich auf der geneigten Oberfläche nach unten in Richtung auf den Damm zu bewegen.Thereby, the fluid delivery system is arranged at a higher level than the dam to allow the moving fluid to flow by gravity on the film-forming surface, in that the film-forming surface has an inclined surface, the fluid delivery system and the particle delivery system being so arranged that the fluid and the particles are caused to move down the inclined surface towards the dam.

WO 2001/089 716 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Monoschichten aus Partikeln oder Molekülen, das die folgenden Schritte umfasst

  • • Einspritzen eines Flüssigkeitsfilms, der darin dispergierte Teilchen oder Moleküle enthält, auf die Außenfläche eines Drehelements;
  • • Einstellen der chemischen Eigenschaften der Teilchen oder Moleküle, wobei ein solcher Einstellschritt die Teilchen oder Moleküle an die Oberfläche des dünnen Flüssigkeitsfilms trägt;
  • • Tragen der an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche des dünnen Flüssigkeitsfilms absorbierten Teilchen oder Moleküle in eine gleichförmige Monoschicht und
  • • Übertragen der Monoschicht von der Oberfläche des dünnen Flüssigkeitsfilms auf ein festes Substrat.
WO 2001/089716 A2 discloses a method for preparing monolayers of particles or molecules, comprising the following steps
  • • injecting a liquid film containing particles or molecules dispersed therein onto the outer surface of a rotary member;
  • • adjusting the chemical properties of the particles or molecules, such adjusting step carrying the particles or molecules to the surface of the thin liquid film;
  • • carrying the particles or molecules adsorbed at the gas-liquid interface of the thin liquid film into a uniform monolayer and
  • • Transferring the monolayer from the surface of the thin liquid film to a solid substrate.

Die zuvor stehend beschriebenen technischen Einzellösungen können jedoch nicht ohne weiteres miteinander kombiniert werden und die Nachteile dieser einzelnen Technologien werden im Folgenden aufgeführt.However, the individual technical solutions described above cannot be easily combined with one another and the disadvantages of these individual technologies are listed below.

Bei der photo-Polymerisation an der Wasser-Luft-Grenzfläche gemäß dem vorbekannten Stand der Technik benötigt man für die freie radikalische photo-Polymerisation spezielle Quecksilberdampflampen, welche die zur Initiierung der Polymerisation erforderliche Wellenlänge von 254 nm emittieren kann.In the photo-polymerization at the water-air interface according to the previously known prior art, special mercury vapor lamps are required for the free radical photo-polymerization, which can emit the wavelength of 254 nm required for initiating the polymerization.

Die Abscheide- / Transfertechnik ist bisher im Labormaßstab als diskontinuierliche Abscheidung auf porösem / gitterartigem Trägermaterial (TEM-Gitter) möglich. Dadurch haben diese bekannten diskontinuierlichen Abscheidungen den Nachteil, dass sie den Ablauf und die Skalierung zu großtechnischen Prozessabläufen erschweren.The deposition / transfer technology has so far been possible on a laboratory scale as discontinuous deposition on porous / lattice-like carrier material (TEM lattice). As a result, these known discontinuous depositions have the disadvantage that they make the process and the scaling to large-scale processes more difficult.

Bei den bisher beschriebenen kontinuierlichen Abscheidungen bzw. Übertragungen von an der Wasser-Luft-Grenzfläche befindlichen Filmen auf nicht-poröse Trägermaterialien (Substrate) durchläuft das Trägermaterial immer die Subphase (das Wasser), was zu dem Nachteil führt, dass poröse Trägermaterialen aufgrund der Kapillarkräfte Wasser „ziehen“ können, was die Fähigkeit der gegenseitigen Wechselwirkungsbeziehung von abzuscheidenden Film und Substrat beeinflusst.In the previously described continuous depositions or transfers of films located at the water-air interface onto non-porous carrier materials (substrates), the carrier material always passes through the subphase (the water), which leads to the disadvantage that porous carrier materials due to capillary forces Can "pull" water, which affects the ability of the deposited film and substrate to interact with each other.

Bei Porengenerierung durch Elektronenstrahlbeschuss und Phaseninversionsreaktionen ist die Porengröße im niedrigen Nanometerbereich kaum zugänglich, so dass für die Nanofiltration (Teilchen > 2 nm werden zurückgehalten) entweder Lösungs-Diffusions-Membranen oder elektrisch geladene Porenmembranen eingesetzt werden.When generating pores by electron beam bombardment and phase inversion reactions, the pore size in the low nanometer range is hardly accessible, so that either solution-diffusion membranes or electrically charged pore membranes are used for nanofiltration (particles > 2 nm are retained).

Bei Filmen aus „Covalent Organic Frameworks“ und Calix[n]arenen hängt die Porengröße sehr stark von den verwendeten Molekülen ab. Eine flexible Steuerung der Porengröße, bspw. durch die simple Veränderung der Filmbildungsparameter, ist kaum möglich. Die verwendeten „molekularen Bausteine“ müssen zudem exakt zueinander passen, um überhaupt flache 2D-Filme herstellen zu können.In the case of films made from “Covalent Organic Frameworks” and calix[n]arenes, the pore size depends very much on the molecules used. A flexible control of the pore size, e.g. by simply changing the film formation parameters, is hardly possible. The "molecular building blocks" used must also fit together exactly in order to be able to produce flat 2D films at all.

DE 27 05 193 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung und zum Aufbringen einer monomolekularen Schicht amphiphiler Moleküle auf ein Substrat, bei dem in einer ersten Stufe die Schicht aus einer Lösung der Moleküle in einem geeigneten Lösungsmittel durch Aufbringen der Lösung auf eine Flüssigkeitsoberfläche und Entfernen des Lösungsmittels gebildet und in einer zweiten Stufe auf die so gebildete Schicht ein bestimmter Oberflächendruck angewandt und in einer dritten Stufe die Schicht auf ein Substrat aufgebracht wird, wobei man auf einer Flüssigkeitsoberfläche arbeitet, die in wenigstens zwei Bereiche unterteilt ist, von denen zwei benachbarte Bereiche durch ein teilweise in die Flüssigkeit eingetauchtes, um sich selbst drehbares waagrechtes Teil abgeteilt werden, dass man die Lösung der Moleküle in einen der Bereiche einbringt, dass man das Lösungsmittel entfernt und dass man die Moleküle der monomolekularen Schicht transportiert und auf die so gebildete Schicht einen bestimmten Oberflächendruck ausübt, indem sie von einem Bereich in den Nachbarbereich dadurch überführt wird, dass das die Bereiche trennende Teil in Drehung versetzt wird, wobei die beiden benachbarten Bereiche durch einen um seine Achse drehbaren waagrechten Zylinder getrennt werden. DE 27 05 193 A1 discloses a method and apparatus for producing and applying a monomolecular layer of amphiphilic molecules to a substrate, in which, in a first step, the layer is formed from a solution of the molecules in a suitable solvent by applying the solution to a liquid surface and removing the solvent and in a second stage a certain surface pressure is applied to the layer thus formed and in a third stage the layer is applied to a substrate, working on a liquid surface which is divided into at least two areas, two adjacent areas of which are separated by a partially in rotating horizontal part immersed in the liquid, introducing the solution of the molecules into one of the zones, removing the solvent and transporting the molecules of the monomolecular layer and applying a specific one to the layer thus formed exerts surface pressure by it is transferred from one area to the adjacent area by rotating the part separating the areas, the two adjacent areas being separated by a horizontal cylinder rotating about its axis.

Die Herstellung einer ultradünnen freistehenden 2D-Membran mit Poren ist mit dem offenbarten Verfahren und der offenbarten Vorrichtung nicht möglich.The production of an ultra-thin free-standing 2D membrane with pores is not possible with the disclosed method and the disclosed device.

EP 3 189 899 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhalt nanostrukturierter Beschichtungen auf festen Oberflächen, umfassend eine Verarbeitungswanne zum Befüllen mit einer Arbeitsflüssigkeit, eine Abflusseinrichtung, wenigsten eine automatisierte Vorrichtung zum Versprühen einer Oberflächenlösung auf die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit in Form einer Monolage, eine Einrichtung zum Bewegen von Substraten und ihre Verschiebung durch die Monolage in einem Winkel zu einer waagerechten Ebene, zwei lineare Schranken, angeordnet entlang entgegengesetzter Seiten der Wanne mit der Möglichkeit zur Bewegung in einer waagerechten Ebene, und eine drehbare zylindrische Schranke , deren Achse parallel zu der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit und der linearen Schranken ist, die zwischen den genannten linearen Schranken angebracht ist, zwei Oberflächenspannungssensoren, eine Einheit zur Aktivierung der Substratoberfläche und eine elektronische Steuerungseinheit, wobei wenigstens ein zusätzlich eingebrachter Wärmetauscher, der zum Kühlen der Arbeitsflüssigkeit direkt unterhalb der Monolage vorgesehen ist, ein System zum Reinigen der Arbeitsflüssigkeit und zum Aufrechterhalten ihres bestimmten Niveaus, wobei die zwei linearen Schranken zum Reinigen der Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit von der Monolage ausgelegt sind, und eine Vorrichtung zum Einbringen einer Arbeitsflüssigkeit; wobei die zylindrische Schranke mit der Möglichkeit ihrer senkrechten Bewegung derart angebracht ist, dass ihre Achse unterhalb des Niveaus der Arbeitsflüssigkeit angeordnet ist, wobei der Winkel zu einer waagerechten Ebene, bei dem die Substrate entnommen werden, im Bereich von 3 bis 30 Grad liegt, wobei die linearen Schranken und die zylindrische Schranke die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit in der Verarbeitungswanne in eine Zone (A) zum automatischen Laden der Substrate, eine Zone (B) zum Versprühen der Oberflächenlösung und eine Zone (C) zum Formen und Verschieben der Monolage teilen, wobei die Vorrichtung für eine kontinuierliche Verarbeitung der Substratbeschichtung ausgelegt ist. EP 3 189 899 A1 discloses a device and a method for obtaining nanostructured coatings on solid surfaces, comprising a processing tank for filling with a working liquid, a drainage device, at least one automated device for spraying a surface solution onto the surface of the working liquid in the form of a monolayer, a device for moving substrates and their displacement through the monolayer at an angle to a horizontal plane, two linear barriers placed along opposite sides of the trough with the possibility of movement in a horizontal plane, and a rotary cylindrical barrier whose axis is parallel to the surface of the working liquid and the linear barriers mounted between said linear barriers, two surface tension sensors, a substrate surface activation unit and an electronic control unit, at least one additionally incorporated A real heat exchanger intended for cooling the working liquid directly below the monolayer, a system for cleaning the working liquid and maintaining its certain level, the two linear barriers being designed for cleaning the surface of the working liquid from the monolayer, and a device for introducing it a working liquid; wherein the cylindrical barrier with the possibility of its vertical movement is mounted in such a way that its axis is located below the level of the working liquid, the angle to a horizontal plane at which the substrates are extracted being in the range from 3 to 30 degrees, where the linear barriers and the cylindrical barrier divide the surface of the working liquid in the processing tank into a zone (A) for automatic loading of the substrates, a zone (B) for spraying the surface solution and a zone (C) for shaping and shifting the monolayer, where the device is designed for continuous processing of the substrate coating.

Die Herstellung einer ultradünnen freistehenden 2D-Membran mit Poren ist mit der offenbarten Vorrichtung und dem offenbarten Verfahren nicht möglich.The production of an ultra-thin free-standing 2D membrane with pores is not possible with the disclosed device and the disclosed method.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen freistehenden 2D-Membran mit Poren bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine kontinuierliche, technisch skalierbare, kostengünstige sowie großtechnische Herstellung dieser bei einer optionalen anwendungsbezogenen Modifikation ermöglicht und die Verwendung der über dieses Verfahren hergestellten Membranen anzugeben.The object of the present invention is to provide a method for producing an ultra-thin free-standing 2D membrane with pores, which avoids the disadvantages of the prior art and enables continuous, technically scalable, inexpensive and large-scale production of this with an optional application-related modification and which specify use of the membranes produced by this method.

Eine ultradünne freistehende 2D-Membran soll durch die anwendungsbezogene Modifikation mit Poren im Bereich von Å bis hin zu 10 nm, und ggf. mit Farbstoffmolekülen oder mit Sensormolekülen versehen werden.An ultra-thin, free-standing 2D membrane is to be provided with pores in the range from Å to 10 nm and, if necessary, with dye molecules or sensor molecules through application-related modification.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des 1. Patentanspruchs gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1. Further advantageous configuration options of the invention are specified in the subordinate patent claims.

Die technische Lösung besteht darin, dass bei dem Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen freistehenden 2D-Membran mit Poren die kontinuierliche, skalierbare, kovalente, energetisch initiierte Verbindung von Monomeren an einer Wasser-Luft-Grenzfläche in einem Wasserbecken erfolgt, wie bspw. die UV- initiierte Polymerisation von photoaktivierbaren Monomeren (bspw. Methylacrylaten) an der Wasser-Luft-Grenzfläche, wobei nach dem Schritt der Polymerisation ein Waschschritt in einem vom Wasserbecken abgetrennten Lösungsmittelbad, das ein Lösungsmittel für nicht polymerisierbare kleine Moleküle enthält, erfolgt, wobei den Monomeren vor der Polymersisation die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle zugemischt werden, so dass eine Monomeren-Moleküle-Lösungsmittelmischung entsteht, um durch das Herauslösen der nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle Poren in der ultradünnen freistehenden 2D-Membran zu generieren.The technical solution is that in the process of producing an ultra-thin free-standing 2D membrane with pores, the continuous, scalable, covalent, energetically initiated connection of monomers takes place at a water-air interface in a water basin, such as the UV Initiated polymerization of photoactivatable monomers (e.g. methyl acrylates) at the water-air interface, with the polymerization step being followed by a washing step in a solvent bath which is separated from the water tank and contains a solvent for non-polymerizable small molecules, with the monomers being Polymerization the non-polymerizable small molecules are admixed to form a monomer-molecule-solvent mixture to generate pores in the ultra-thin free-standing 2D membrane by dissolving out the non-polymerizable small molecules.

Dabei werden die Monomere vor der energetisch initiierten Verbindung an der Wasser-Luft-Grenzfläche vorassembliert und so aus einer bestimmten Ordnung heraus durch die Zugabe eines energetischen Initiators kovalent zu einem 2D-Film verbunden, wie bspw. durch die Zugabe eines Photoinitiators als Radikalstarter und das Einschalten einer UV- LED (im Bereich von 300 - 400 nm, bspw. mit 365 nm) zu Polymerisation der Monomere.The monomers are preassembled before the energetically initiated connection at the water-air interface and are thus covalently connected to a 2D film from a certain order by adding an energetic initiator, such as by adding a photoinitiator as a radical initiator and that Turn on a UV LED (in the range of 300 - 400 nm, e.g. with 365 nm) to polymerize the monomers.

Um einen kontinuierlichen Transfer dieses 2D-Films von der Wasser-Luft-Grenzfläche auf ein Substrat zu gewährleisten, ist ein 2D-Film Vorrausetzung, welcher kontinuierlich entlang der Wasseroberfläche verlängert wird.In order to ensure a continuous transfer of this 2D film from the water-air interface to a substrate, a 2D film is required, which is continuously extended along the water surface.

Der Ansatz dieser technischen Lösung ist es, die Wasseroberfläche in verschiedene Bereiche zu unterteilen.The approach of this technical solution is to divide the water surface into different areas.

Dabei ist der Bereich zum Spreiten der in organischem Lösungsmittel enthaltenen Monomere räumlich durch eine Schlepprolle von den Bereichen der Monomerkompression, der kovalenten Verbindung der komprimierten Monomere zu einem 2D-Film und des 2D-Filmtransfers auf ein poröses Trägermaterial getrennt.The area for spreading the monomers contained in the organic solvent is spatially separated by a drag roller from the areas of monomer compression, the covalent connection of the compressed monomers to a 2D film and the 2D film transfer to a porous carrier material.

Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels werden die vereinzelten Monomere per Schlepprolle in den anderen Bereich des Wasserbeckens transferiert, in welchem sie zu einem kontinuierlichen Film komprimiert werden.After the solvent has evaporated, the individual monomers are transferred to the other area of the water basin using a drag roller, where they are compressed into a continuous film.

Sobald die Monomere in adäquater Distanz zu einander sind (gewisse Kompressionsbedingungen sind erreicht) und der vorassemblierte Monomerfilm in den Bereich der energetischen Initiierung vorgeschoben wurde, wird durch den energetischen Initiator die kovalente der Monomere erzeugt, bspw. durch Zugabe des Photoinitiators und Einschalten der UV-LED die Polymerisation der photosensitiv radikalisierbaren Monomere gestartet.As soon as the monomers are at an adequate distance from one another (certain compression conditions have been reached) and the preassembled monomer film has been advanced into the area of energetic initiation, the energetic initiator generates the covalent bonding of the monomers, e.g. by adding the photoinitiator and switching on the UV LED started the polymerization of the photosensitive radicalizable monomers.

Die Polymerisationsinitiierung erfolgt dabei in bestimmten Intervallen oder räumlich lokal und setzt an der Monomer-Polymer-Grenze ein, um ein Fortführung des 2D-Polymer in eine Richtung der 2D Ebene zu begünstigen.The polymerisation initiation takes place at certain intervals or spatially locally and begins at the monomer-polymer boundary in order to promote a continuation of the 2D polymer in one direction of the 2D plane.

Nachdem der 2D-Film den Bereich der energetischen Initiierung (bspw. der 2D-Polymerfilm den Polymerisationsbereich) durch weiteren Vorschub verlassen hat, erfolgt der Abscheideprozess. Hierfür wird eine Rolle, auf welche ein poröses / gitterartiges Trägermaterial gespannt und nahezu endlos nachgeführt ist, auf den 2D-Film (bspw. der 2D-Polymerfilm) an der Wasseroberfläche gesetzt.After the 2D film has left the area of energetic initiation (e.g. the 2D polymer film the polymerisation area) through further advance, the deposition process takes place. For this purpose, a roll, on which a porous / lattice-like carrier material is stretched and tracked almost endlessly, is placed on the 2D film (e.g. the 2D polymer film) on the water surface.

Die Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der fördernden „Abscheiderolle“ sind dabei gleich der Vorschubrichtung und der Vorschubgeschwindigkeit des 2D-Films.The direction and speed of rotation of the conveying “separator roller” are the same as the feed direction and feed speed of the 2D film.

Durch ein System aus Rollen wird das poröse / gitterartige Trägermaterial kontinuierlich zum 2D-Film an der Wasseroberfläche geführt, der 2D-Film kommt mit dem Trägermaterial in Kontakt, haftet daran, und anschließend wird das Trägermaterial wieder weggeführt. Dieses Wegführen des Trägermaterials von der Wasseroberfläche hebt den 2D-Film von der Wasseroberfläche, so dass eine freistehende 2D-Membran auf dem porösen / gitterartigen Trägermaterial generiert wird.A system of rollers continuously feeds the porous/mesh support material to the 2D film on the water surface, the 2D film contacts the support material, adheres to it, and then the support material is fed away again. This carrying of the support material away from the water surface lifts the 2D film from the water surface, so that a free-standing 2D membrane is generated on top of the porous/grid-like support material.

Da das poröse / gitterartige Trägermaterial auf der fördernden „Abscheiderolle“ erst nach der Ausbildung des 2D-Films auf das Niveau der Wasseroberfläche abgesenkt wird, kommt das poröse / gitterartige Trägermaterial nicht mit der wässrigen Subphase in Kontakt. Das trockene Trägermaterial kann direkt mit dem 2D-Film interagieren, ohne zuvor in den Poren anhaftendes Wasser verdrängen zu müssen, was sehr von Vorteil ist.Since the porous / lattice-like carrier material on the conveying "separation roller" is only lowered to the level of the water surface after the 2D film has formed, the porous / lattice-like carrier material does not come into contact with the aqueous subphase. The dry support material can interact directly with the 2D film without first having to displace water that is stuck in the pores, which is a great advantage.

Das poröse oder gitterartige Trägermaterial schützt die freistehende 2D-Membran, allerdings nur von einer Seite. Um einen beidseitigen Schutz, gute Handhabbarkeit, Transport- und Einsatzfähigkeit zu gewährleisten, benötigt es einen beidseitigen Schutz der freistehenden 2D-Membran. Hierfür wird die ungeschützte Seite der freistehenden 2D-Membran zusätzlich durch ein zweites poröses / gitterartiges Trägermaterial laminiert. Die laminierte freistehende 2D-Membran kann dann in gewünschte Zielanwendungen integriert werden.The porous or grid-like support material protects the free-standing 2D membrane, but only from one side. In order to ensure protection on both sides, good handling, transport and operational capability, the free-standing 2D membrane needs to be protected on both sides. For this purpose, the unprotected side of the free-standing 2D membrane is additionally laminated with a second porous/grid-like carrier material. The laminated 2D free-standing membrane can then be integrated into desired target applications.

Für bestimmte Anwendungen ist es wünschenswert, wenn die freistehende 2D-Membran zusätzlich Poren und ggf. Farbstoff- oder Sensormoleküle enthält.For certain applications, it is desirable if the free-standing 2D membrane also contains pores and possibly dye or sensor molecules.

In Fall zusätzlicher Poren wird erfindungsgemäß eine Polymerisation an der Wasser-Luft-Grenzfläche aus einem Gemisch aus polymerisierbaren Monomeren und nicht polymerisierbaren kleinen Molekülen durchgeführt. Letztere können nach oder vor Durchlaufen der Transferrolle, jedenfalls vor der Polymerisierung, zuggegeben werden. Je nach Mischbarkeit und Mischungsverhältnis von Monomer und nicht polymerisierbaren kleinen Molekül kann die Clustergröße der nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle variiert werden.In the case of additional pores, according to the invention, a polymerization is carried out at the water-air interface of a mixture of polymerizable monomers and non-polymerizable small molecules. The latter can be added after or before passing through the transfer roller, in any case before the polymerization. Depending on the miscibility and mixing ratio of the monomer and the non-polymerizable small molecule, the cluster size of the non-polymerizable small molecule can be varied.

Nach Polymerisation und Transfer auf das poröse / gitterartige Trägermaterial wird ein Waschschritt (kontinuierlich oder diskontinuierlich) integriert, bei welchem die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle aus der freistehenden 2D-Membran herausgelöst werden, gegebenenfalls unter zu Hilfenahme von Ultraschall. Dies erfolgt erfindungsgemäß, in dem der Waschschritt in einem vom Wasserbecken abgetrennten Lösungsmittelbad, das ein Lösungsmittel für nicht polymerisierbare kleine Moleküle enthält, erfolgt, um durch das Herauslösen der nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle Poren in der ultradünnen freistehenden 2D-Membran zu generieren.After polymerisation and transfer to the porous/grid-like carrier material, a washing step (continuous or discontinuous) is integrated, in which the non-polymerisable small molecules are detached from the free-standing 2D membrane, optionally with the aid of ultrasound. This is done according to the invention, in which the washing step is carried out in a solvent bath separated from the water basin, which contains a solvent for non-polymerizable small molecules, in order to generate pores in the ultra-thin free-standing 2D membrane by dissolving out the non-polymerizable small molecules.

Die Monomere können für die 2D-Filmbildung auch mit Chromophore vermischt eingesetzt werden, die eine Licht-gesteuerte Polarisierung der Membran sowie eine Licht-gesteuerte Variation weiterer Eigenschaften, wie Permeabilität, supramolekulare Struktur, Oberflächenspannung, elektrochemische Potentiale und weiteres ermöglichen.The monomers can also be used mixed with chromophores for 2D film formation, which supramole cular structure, surface tension, electrochemical potentials and more.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch, dass die Monomere für die 2D-Filmbildung auch vermischt mit einzelnen Sensormolekülen eingesetzt werden.It is also within the scope of the invention that the monomers for the 2D film formation are also used mixed with individual sensor molecules.

Die Vernetzung der Monomere mit oder ohne Chromophor- oder Sensoreinheiten muss nicht co-valent, sondern kann auch durch elektrostatische oder van der Waals-Wechselwirkungen, insbesondere London-Dispersions-, Dipol- und Multipol-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken-bindungen erfolgen.The crosslinking of the monomers with or without chromophore or sensor units does not have to be covalent, but can also take place through electrostatic or van der Waals interactions, in particular London dispersion, dipole and multipole interactions and hydrogen bonds.

Diese technische Lösung ermöglicht die Herstellung von dünnen Membranen / Schichten / Filmen mit den folgenden kombinierten Eigenschaften, die sonst nur einzeln oder dual erreicht werden:

  • - kontinuierliche und damit leicht skalierbare und kostengünstige Herstellung; auch ohne Subphasenkontakt,
  • - bis zu einen Nanometer dünn,
  • - mechanisch stabil und damit frei-tragend durch Polymerisation und ggf. Quervernetzung; die Quervernetzung kann auch durch geeignete van der Waals-Wechselwirkungen, also ohne Polymerisation, realisiert werden,
  • - einstellbare, einheitliche und wohldefinierte supramolekulare Struktur und molekulare Orientierung,
  • - polarisierbar durch Einbau von geeigneten Farbstoffen bzw. Herstellung der Membran aus Farbstoffen,
  • - photo-schaltbare Grenzflächenspannung / Adhäsion / Benetzbarkeit des Films,
  • - Einstellung der Permeabilität der Membran durch Substanzwahl und Polymerisationsart,
  • - gezieltes Einbringen von Nano- bis Mikroporen.
This technical solution enables the production of thin membranes / layers / films with the following combined properties, which are otherwise only achieved individually or dual:
  • - continuous and therefore easily scalable and inexpensive production; even without subphase contact,
  • - up to one nanometer thin,
  • - Mechanically stable and thus self-supporting through polymerisation and, if necessary, cross-linking; the cross-linking can also be realized by suitable van der Waals interactions, i.e. without polymerization,
  • - tunable, uniform and well-defined supramolecular structure and molecular orientation,
  • - can be polarized by incorporating suitable dyes or by making the membrane from dyes,
  • - photo-switchable interfacial tension / adhesion / wettability of the film,
  • - adjustment of the permeability of the membrane through the choice of substance and type of polymerization,
  • - Targeted introduction of nano to micropores.

Der zur Verfügung gestellte Herstellungsprozess für freistehende 2D-Membranen ist in einer skalierbaren Weise entworfen und liefert eine freistehende 2D-Membran von bis zu molekular-dünner Dicke (ca. 1 nm) in geschützter Form, was eine problemlose Handhabung bezüglich Lagerung, Transport, Integration und Anwendung gewährleistet.The provided 2D free-standing membrane manufacturing process is designed in a scalable manner and delivers a 2D free-standing membrane of up to molecular-thin thickness (about 1 nm) in a protected form, which allows for hassle-free handling in terms of storage, transportation, integration and application guaranteed.

Die Porengenerierung, fakultative Farbstoff- oder Sensoreinbringung finden während des Prozesses der Herstellung der 2D-Membran auf eine schnelle und energetisch günstige Art statt, so dass bspw. die Permeabilität der Membranen zusätzlich zur Steuerung der Membrandicke durch Einbauen von definierten Poren variiert werden kann.The generation of pores and the optional introduction of dyes or sensors take place during the process of manufacturing the 2D membrane in a fast and energetically favorable way, so that, for example, the permeability of the membranes can be varied in addition to controlling the membrane thickness by incorporating defined pores.

Die mit porösem Trägermaterial laminierte freistehende 2D-Membran mit Poren ist ein günstig herstellbares Hochleistungsmaterial, welches sich unter anderem für die Dead-End-Filtration eignet und anschließend thermisch verwertet werden kann.The free-standing 2D membrane with pores laminated with a porous carrier material is a high-performance material that can be produced cheaply and is suitable, among other things, for dead-end filtration and can then be thermally recycled.

Darüber hinaus erhöhen so hergestellte Filtermembranen molekularer Dicke signifikant die Filtrationsleistung und -geschwindigkeit, da die sich aufbauenden Gegendrücke deutlich geringer ausfallen.In addition, filter membranes of molecular thickness produced in this way significantly increase the filtration performance and speed, since the back pressures that build up are significantly lower.

Zur Herstellung der freistehenden 2D-Membran mit Poren wird sich der an sich bekannten Polymerchemie (kovalente Bindungen durch lichtinduzierte Polymersisation) bedient, sodass definierte zweidimensionale Polymerfilme an der Wasser-Luft-Grenzfläche aus Monomeren auf kontinuierliche Weise erzeugt und auf ein poröses Trägermaterial übertragen werden, was einen großtechnischen Herstellungsprozess ermöglicht.The well-known polymer chemistry (covalent bonds through light-induced polymerization) is used to produce the free-standing 2D membrane with pores, so that defined two-dimensional polymer films are produced from monomers at the water-air interface in a continuous manner and transferred to a porous carrier material. which enables a large-scale manufacturing process.

Da die Polymerisation durch den Einsatz eines photo-initiierbaren Radikalstarters und bspw. UV- LEDs (365 nm) gestartet werden, ist der Energieaufwand zum Auslösen der Polymersiation sehr gering, was zur Kostenersparnis beiträgt.Since the polymerisation is started by using a photo-initiable free-radical initiator and, for example, UV LEDs (365 nm), the energy required to initiate the polymerisation is very low, which contributes to cost savings.

Die Poren werden erfindungsgemäß durch Einmischung nichtpolymerisierbarer Moleküle realisiert.According to the invention, the pores are created by mixing in non-polymerizable molecules.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne auf diese beschränkt zu werden.The invention is explained in more detail below with reference to the schematic drawings and the exemplary embodiments, without being restricted to these.

Dabei zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung einer freistehenden 2D- Polymermembran und
  • 2: eine schematische Darstellung eines kontinuierlichen Waschschritts als Bestandteil in einem Verfahren gemäß 1, welches erfindungsgemäß modifiziert ist, zur kontinuierlichen Herstellung einer freistehenden 2D- Polymermembran, die mit zusätzlichen Poren versehen ist.
show:
  • 1 : a schematic representation of an embodiment of an arrangement for carrying out a continuous method for producing a free-standing 2D polymer membrane and
  • 2 : a schematic representation of a continuous washing step as a component in a method according to 1 , which is modified according to the invention, for the continuous production of a free-standing 2D polymer membrane, which is provided with additional pores.

Ausführungsbeispiel 1Example 1

An sich bekanntes Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen freistehenden 2D-Membran in Form einer 2D-Polymermembran bei dem die kontinuierliche, skalierbare und UV- initiierte Polymerisation von photoaktivierbaren Monomeren an einer Wasser-Luft-Grenzfläche erfolgtA method known per se for producing an ultra-thin, free-standing 2D membrane in the form of a 2D polymer membrane, in which the continuous, scalable, and UV-initiated polymerization of photoactivatable monomers takes place at a water-air interface

Die in der 1 dargestellte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein offenes Becken (1) mit Beckenwänden (11, 12) gefüllt mit Wasser, so dass eine Wasseroberfläche (3) mit einer Wasser-Luft-Grenzfläche (13) ausgebildet ist, eine Monomeren-Lösungsmittelmischung (2), eine Schlepprolle (4) mit einer Luft-zugewandten Oberfläche (41), einen Photoinitiator (5), eine Quelle für UV-Licht (6), eine poröses Trägermaterial (71) fördernde Rolle (7), wobei dieses poröse Trägermaterial (71) einen 2D- Polymerfilm (8) tragen kann, und Transportrolle (10), wobei zusätzlich auch noch mindestens eine weitere fördernde Rolle (9) vorgesehen sein kann.The one in the 1 The arrangement shown for carrying out the method according to the invention comprises an open tank (1) with tank walls (11, 12) filled with water, so that a water surface (3) is formed with a water-air interface (13), a monomer-solvent mixture ( 2), a drag roller (4) with an air-facing surface (41), a photoinitiator (5), a source of UV light (6), a porous support material (71) conveying roller (7), said porous support material (71) can carry a 2D polymer film (8), and transport roller (10), it also being possible for at least one further conveying roller (9) to be provided.

Das Konzept zu diesem technischen Aufbaus bestehen darin, dass bei der Herstellung von ultradünnen freistehenden 2D-Polymermembranen die kontinuierliche, skalierbare und UV- initiierte Polymerisation von photoaktivierbaren Monomeren, wie bspw. Methylacrylaten, an einer Wasser-Luft-Grenzfläche erfolgt, in dem die Monomere vor der Polymerisationsreaktion an der Wasser-Luft-Grenzfläche vorassembliert und so aus einer bestimmten Ordnung heraus durch die Zugabe des Photoinitiators als Radikalstarter und das Einschalten der UV-LED (365 nm) zu einem 2D-Polymerfilm polymerisiert werden, welcher kontinuierlich entlang der Wasseroberfläche verlängert und kontinuierlich von der Wasser-Luft-Grenzfläche auf ein Trägersubstrat transferiert wird, wobei die Wasseroberfläche im offenen Becken (1) in verschiedene Bereiche unterteilt ist.The concept for this technical structure is that in the production of ultra-thin, free-standing 2D polymer membranes, the continuous, scalable and UV-initiated polymerization of photoactivatable monomers, such as methyl acrylates, takes place at a water-air interface, in which the monomers preassembled before the polymerization reaction at the water-air interface and thus polymerized out of a certain order by adding the photoinitiator as a radical initiator and switching on the UV LED (365 nm) to form a 2D polymer film, which continuously extends along the water surface and is continuously transferred from the water-air interface onto a carrier substrate, the water surface in the open pool (1) being divided into different areas.

Der Bereich zum Spreiten der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) ist räumlich durch die Schlepprolle (4) von den Bereichen der Monomerkompression, der Polymerisation und des 2D-Polymerfilmtransfers auf das poröse Trägermaterial (71) getrennt (siehe 1).The area for spreading the monomer-solvent mixture (2) is spatially separated by the drag roller (4) from the areas of monomer compression, polymerisation and 2D polymer film transfer onto the porous carrier material (71) (see 1 ).

Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels aus der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) werden die vereinzelten Monomere per Schlepprolle (4) in den anderen Bereich des Beckens (1) überführt.After the solvent has evaporated from the monomer-solvent mixture (2), the isolated monomers are transferred to the other area of the tank (1) using a drag roller (4).

Sobald die Monomere in adäquater Distanz zu einander sind (gewisse Kompressionsbedingungen sind erreicht) und der vorassemblierte Monomerfilm in den Bereich der Polymerisationsinitiierung vorgeschoben wurde, wird durch Zugabe des Photoinitiators (5) und Einschalten der UV-LED als Quelle für UV-Licht (6) die Polymerisation gestartet.
[Alternativ dazu kann der Photoinitiator (5) auch von vom herein in der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) enthalten sein und wird erst bei UV-Absorption aktiviert.]
[Das UV-Licht (6) kann alternativ zum Einschalten bei entsprechender Intensität auch permanent laufen.]
Once the monomers are at an adequate distance from each other (certain compression conditions are reached) and the preassembled monomer film has been advanced into the area of polymerization initiation, adding the photoinitiator (5) and switching on the UV LED as the source of UV light (6) polymerization started.
[Alternatively, the photoinitiator (5) can also be present in the monomer-solvent mixture (2) and is only activated upon UV absorption.]
[As an alternative to being switched on, the UV light (6) can also run permanently if the intensity is appropriate.]

Die Polymerisationsinitiierung kann dabei in bestimmten Intervallen oder räumlich lokal erfolgen und setzt an der Monomer-Polymer-Grenze ein, um ein Fortführung des 2D-Polymerfilms (8) in eine Richtung der 2D- Ebene zu begünstigen.The polymerization can be initiated at specific intervals or spatially locally and starts at the monomer-polymer boundary in order to promote a continuation of the 2D polymer film (8) in one direction of the 2D plane.

Nachdem der 2D-Polymerfilm (8) den Polymerisationsbereich durch weiteren Vorschub verlassen hat, erfolgt der Abscheideprozess. Hierfür wird die fördernde Rolle (7), auf welche das poröse Trägermaterial (71) gespannt ist und befördert wird, auf den 2D-Polymerfilm (8) an der Wasseroberfläche (3) gesetzt. Die Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der fördernde Rolle (7) (= „Abscheiderolle“) sind dabei gleich der Vorschubrichtung und der Vorschubgeschwindigkeit des 2D-Polymerfilms (8) den Polymerisationsbereich.After the 2D polymer film (8) has left the polymerisation area through further advance, the deposition process takes place. For this purpose, the conveying roller (7), on which the porous carrier material (71) is stretched and conveyed, is placed on the 2D polymer film (8) on the water surface (3). The direction and speed of rotation of the conveying roller (7) (= "separator roller") are the same as the feed direction and feed speed of the 2D polymer film (8) in the polymerization area.

Der Vorschub liegt dabei zwischen 1 und 1000 nm/min.The feed is between 1 and 1000 nm/min.

Durch ein System aus den Rollen (7, 9 und 10) wird das poröse / gitterartige Trägermaterial (71) kontinuierlich zum Film an der Wasseroberfläche (3) geführt, der 2D-Polymerfilm (8) kommt mit dem Trägermaterial (71) in Kontakt, haftet daran, und anschließend wird das Trägermaterial (71) wieder weggeführt.Through a system of rollers (7, 9 and 10), the porous/grid-like carrier material (71) is continuously guided to the film on the water surface (3), the 2D polymer film (8) comes into contact with the carrier material (71), adheres to it, and then the carrier material (71) is carried away again.

Dieses Wegführen des Trägermaterials (71) von der Wasseroberfläche (3) hebt den 2D-Polymerfilm von der Wasseroberfläche (3), so dass eine freistehende 2D-Polymermembran auf dem porösen / gitterartigen Träger-material (71) generiert wird.This removal of the carrier material (71) from the water surface (3) lifts the 2D polymer film from the water surface (3) so that a free-standing 2D polymer membrane is generated on the porous/mesh-like carrier material (71).

Da das poröse / gitterartige Trägermaterial (71) auf der fördernden Rolle (7) (= „Abscheiderolle“) erst nach der Ausbildung des 2D-Polymerfilms (8) auf das Niveau der Wasseroberfläche (3) abgesenkt wird, kommt das poröse / gitterartige Trägermaterial (71) vorteilhaft nicht mit der wässrigen Subphase in Kontakt.Since the porous / grid-like carrier material (71) on the conveying roller (7) (= "separator roller") is only lowered to the level of the water surface (3) after the formation of the 2D polymer film (8), the porous / grid-like carrier material comes (71) advantageously not in contact with the aqueous subphase.

Das trockene Trägermaterial kann direkt mit dem 2D-Polymerfilm (8) interagieren, ohne zuvor in den Poren anhaftendes Wasser verdrängen zu müssen, was sehr von Vorteil ist.The dry carrier material can interact directly with the 2D polymer film (8) without first having to displace water adhering to the pores, which is a great advantage.

Das Verfahren zur Herstellung von ultradünnen freistehenden 2D-Polymermembranen bei dem die kontinuierliche, skalierbare und UVinitiierte Polymerisation von photoaktivierbaren Monomeren an einer Wasser-Luft-Grenzfläche mittels der zuvor stehenden Anordnung erfolgt, umfasst folgende Schritte:

  • Es werden Monomere in einem Lösungsmittel aufgenommen und mit diesem vermischt.
The process for the production of ultra-thin free-standing 2D polymer membranes in which the continuous, scalable and UV-initiated polymerization of photoactivatable monomers at a water-air interface takes place using the above arrangement comprises the following steps:
  • Monomers are taken up in a solvent and mixed with it.

Diese Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) wird vereinzelt auf eine Wasseroberfläche (3) aufgebracht, bspw. aufgetropft, wobei sich die gebildeten Tropfen der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) anordnen, das Lösungsmittel verdampft, die Monomere an der Wasseroberfläche (3) zurückbleiben und sich das Wasser in einem offenen Becken (1) mit Wänden befindet, in welchem zwischen den zwei gegenüberliegenden Beckenwänden (11 und 12) eine gerichtete Bewegung der Wasseroberfläche (3) erzeugbar ist, in dem eine Schlepprolle (4) das Becken (1) zwischen den beiden Beckenwänden (11 und 12) in zwei Bereiche teilt und mit ihrem Querschnitt teileweise unter der Wasseroberfläche (3) um ihre Längsachse drehend bewegt wird, wobei das Auftropfen der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) zwischen der ersten Beckenwand (11) und der Schlepprolle (4) erfolgt,This monomer-solvent mixture (2) is isolated on a water surface (3). brought, e.g. Dropped on, with the droplets formed of the monomer-solvent mixture (2) arranging at the water-air interface (13), the solvent evaporates, the monomers remain on the water surface (3) and the water is in an open Pool (1) with walls is located, in which a directed movement of the water surface (3) can be generated between the two opposite pool walls (11 and 12), in which a drag roller (4) moves the pool (1) between the two pool walls (11 and 12) divides into two areas and is moved with its cross-section partially under the water surface (3) rotating about its longitudinal axis, the monomer-solvent mixture (2) being dropped between the first pool wall (11) and the drag roller (4),

Die Luft-zugewandte Oberfläche (41) der Schlepprolle (4) nimmt dabei die Monomere der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) von der Wasseroberfläche (3) auf und gibt diese in Richtung der zweiten Beckenwand (12) wieder auf die Wasseroberfläche (3) ab und wird dabei komprimiert.The surface (41) of the drag roller (4) facing the air takes up the monomers of the monomer-solvent mixture (2) from the water surface (3) and releases them back onto the water surface (3) in the direction of the second pool wall (12). and is thereby compressed.

Im Bereich hinter dieser Komprimierung der Monomere der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) in Richtung der Bewegung der Wasseroberfläche (3) hin zur zweiten Beckenwand (12) befindet sich ein Photoinitiator (5). Gleichzeitig wird in diesen Bereich UV-Licht (6) eingestrahlt.A photoinitiator (5) is located in the area behind this compression of the monomers of the monomer-solvent mixture (2) in the direction of movement of the water surface (3) towards the second pool wall (12). At the same time, UV light (6) is radiated into this area.

In Folge der Wirkung des Photoinitiators (5) und des UV-Lichts (6) bildet sich ein 2D-Polymerfilm aus den Monomeren an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) aus.As a result of the effect of the photoinitiator (5) and the UV light (6), a 2D polymer film is formed from the monomers at the water-air interface (13).

Dieser gebildete 2D-Polymerfilm (8) wird nachfolgend im Bereich der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) von einer, das poröse Trägermaterial (71) fördernden Rolle (7) in Richtung der Bewegung der Wasseroberfläche (3) hin zur zweiten Beckenwand (12) von der Wasseroberfläche (3) abgenommen, so dass das poröse Trägermaterial (71) auf seiner der Wasseroberfläche (3) zugewandten Seite in der Luft mit dem 2D-Polymerfilm (8) als freistehende 2D-Polymermembran beschichtet / aufgebracht wird,This formed 2D polymer film (8) is then rolled in the area of the water-air interface (13) by a roller (7) that conveys the porous carrier material (71) in the direction of movement of the water surface (3) towards the second pool wall (12 ) removed from the water surface (3), so that the porous carrier material (71) is coated/applied on its side facing the water surface (3) in the air with the 2D polymer film (8) as a free-standing 2D polymer membrane,

Abschließend wird das mit der freistehenden 2D-Polymermembran versehene Trägermaterial (71) getrocknet.Finally, the carrier material (71) provided with the free-standing 2D polymer membrane is dried.

Vorteilhaft wird zwischen dem Schritt der Beschichtung des poröse Trägermaterials (71) auf seiner der Wasseroberfläche (3) zugewandten Seite in der Luft mit dem 2D-Polymerfilm (8) und dem Schritt der Trocknung des mit der freistehenden 2D- Polymermembran versehene Trägermaterials (71) ein weiterer Verfahrensschritt eingefügt, bei dem eine weitere, ebenfalls poröse Trägermaterial (71) fördernden Rolle (9) in Richtung der Bewegung der Wasseroberfläche (3) hin zur zweiten Beckenwand (12) in der Luft angeordnet ist, durch welche das Trägermaterial (71) mit der zuvor noch Trägermaterial (71)- freien Seite des 2D- Polymerfilms (8) in Kontakt gebracht wird, so dass eine beidseitig durch das Trägermaterial geschütztes freistehende Polymermembran (81) ausgebildet wird, welche über eine Transportrolle (10) abführbar ist.Advantageously, between the step of coating the porous support material (71) on its side facing the water surface (3) in air with the 2D polymer film (8) and the step of drying the support material (71) provided with the free-standing 2D polymer membrane a further method step is added, in which a further, likewise porous carrier material (71) conveying roller (9) is arranged in the direction of movement of the water surface (3) towards the second pool wall (12) in the air, through which the carrier material (71) is brought into contact with the previously still carrier material (71)-free side of the 2D polymer film (8), so that a free-standing polymer membrane (81) protected on both sides by the carrier material is formed, which can be removed via a transport roller (10).

Der Vorteil dieses technischen Verfahrens besteht darin, dass es kontinuierlich durchgeführt wird und dadurch eine kostengünstige Herstellung von freistehenden 2D-Polymermembranen, welche einseitig oder beidseitig durch ein Trägermaterial geschützt sind, in einem großtechnischen Prozessablauf ermöglicht, wobei im Anschluss an dieses Verfahren gemäß dem Stand der Technik eine anwendungsbezogene Modifikation dieser Membranen möglich ist, um diese bspw. im Bereich Nanofiltration, Umkehrosmose, Gesundheitstechnologien (bspw. Dialyse und Sensorik) und Energietechnologien (Speicher- und Photovoltaik-Technologien) einzusetzen.The advantage of this technical process is that it is carried out continuously, thereby enabling a cost-effective production of free-standing 2D polymer membranes, which are protected on one or both sides by a carrier material, in an industrial process flow, with subsequent to this process according to the prior art Technology, an application-related modification of these membranes is possible in order to use them, for example, in the field of nanofiltration, reverse osmosis, health technologies (e.g. dialysis and sensor technology) and energy technologies (storage and photovoltaic technologies).

Ausführungsbeispiel 2Example 2

Verfahren zur Herstellung einer erindungsgemäßen ultradünnen freistehenden 2D-Membran in Form einer 2D-Polymermembran mit zusätzlichen Poren bei dem die kontinuierliche, skalierbare und UVinitiierte Polymerisation von photoaktivierbaren Monomeren an einer Wasser-Luft-Grenzfläche erfolgtProcess for producing an ultra-thin free-standing 2D membrane according to the invention in the form of a 2D polymer membrane with additional pores, in which the continuous, scalable and UV-initiated polymerization of photoactivatable monomers takes place at a water-air interface

Um eine freistehende 2D-Polymermembran (8) mit zusätzlichen Poren (300) zu erhalten ist es bei dem im Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Verfahren notwendig, dass die Polymerisation an der Wasser-Luft-Grenzfläche erfindungsgemäß mit einem Gemisch aus polymerisierbaren Monomeren (2) und nicht polymerisierbaren kleinen Molekülen (300) durchgeführt wird.In order to obtain a free-standing 2D polymer membrane (8) with additional pores (300), it is necessary in the method described in exemplary embodiment 1 that the polymerization at the water-air interface is carried out according to the invention with a mixture of polymerizable monomers (2) and not polymerizable small molecules (300).

Dabei werden die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) in dem Bereich des Beckens (1) vor oder nach der Schlepprolle (4) (in jedem Fall vor der Polymerisierung) zuggegeben.The non-polymerizable small molecules (300) are added in the area of the basin (1) before or after the drag roller (4) (in any case before the polymerization).

Je nach Mischbarkeit und Mischungsverhältnis von polymerisierbaren Monomer (2) und nicht polymerisierbaren kleinen Molekülen (300) kann die Clustergröße der nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) variiert werden.Depending on the miscibility and mixing ratio of polymerizable monomer (2) and non-polymerizable small molecule (300), the cluster size of non-polymerizable small molecule (300) can be varied.

Nach Polymerisation und Transfer auf das poröse / gitterartige Trägermaterial (71) wird erfindungsgemäß ein Waschschritt (kontinuierlich oder diskontinuierlich) in das an sich bekannte Verfahren integriert (siehe dazu 2, zum kontinuierlich Waschschritt, der diskontinuierliche Waschschritt in Form des Tauchens ist nicht dargestellt), bei welchem die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) aus der freistehenden 2D-Polymermembran (8) herausgelöst werden, vorteilhaft unter zu Hilfenahme von Ultraschall.After polymerization and transfer to the porous/grid-like support material (71), a washing step (continuous or discontinuous) is integrated into the process known per se (see 2 , to the continuous Washing step (the discontinuous washing step in the form of immersion is not shown) in which the non-polymerizable small molecules (300) are detached from the free-standing 2D polymer membrane (8), advantageously with the aid of ultrasound.

Dazu ist beim kontinuierlichen Waschschritt in dem Bereich nach der fördernden Rolle (7) und nach dem Bereich der Photopolymerisation ein vom Wasser des Beckens (1) abgetrennter Bereich (100) vorgesehen, in dem das poröse / gitterartige Trägermaterial (71), welches die freistehende 2D-Polymermembran (8) trägt, über die Rollen (110 und 120) durch ein Lösungsmittelbad, das ein Lösungsmittel für die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) enthält und ein Ultraschallbad sein kann, geführt.For this purpose, during the continuous washing step, in the area after the conveying roller (7) and after the photopolymerization area, an area (100) separated from the water of the basin (1) is provided, in which the porous / lattice-like support material (71), which the free-standing 2D polymer membrane (8) carries, over the rollers (110 and 120) through a solvent bath containing a solvent for the non-polymerizable small molecules (300) and may be an ultrasonic bath out.

Dadurch werden die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) aus der 2D-Polymermembran (8) heraus gelöst, um die gewünschten Poren (200) ausgebildet.As a result, the non-polymerizable small molecules (300) are dissolved out of the 2D polymer membrane (8) to form the desired pores (200).

Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch, dass als Alternative für den diskontinuierlichen Waschschritt nach der fördernden Rolle (7) einzelne Chargen von porösem / gitterartigem Trägermaterial (71) mit freistehender 2D- Polymermembran + nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle in dieser Membran aus dem Prozess entnommen und chargenweise im Lösungsmittelbad, das ein Ultraschallbad sein kann, behandelt werden, um die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle aus der 2D-Polymermembran herauszulösen und dadurch die gewünschten Poren auszubilden.However, it is also within the scope of the invention that, as an alternative to the discontinuous washing step after the conveying roller (7), individual batches of porous/grid-like carrier material (71) with a free-standing 2D polymer membrane + non-polymerizable small molecules in this membrane are removed from the process and be treated in batches in the solvent bath, which can be an ultrasonic bath, in order to extract the non-polymerizable small molecules from the 2D polymer membrane and thereby form the desired pores.

Die Monomere können auch aus dem Stand der Technik vorbekannte Chromophore oder in neuartiger Art und Weise Fluorophore enthalten, die eine Licht-gesteuerte Polarisierung der 2D- Polymermembran sowie eine Licht-gesteuerte Variation weiterer Eigenschaften, wie Permeabilität, supramolekulare Struktur, Oberflächenspannung, elektrochemische Potentiale und weiteres ermöglichen.The monomers can also contain chromophores known from the prior art or, in a novel way, fluorophores that cause light-controlled polarization of the 2D polymer membrane and light-controlled variation of other properties, such as permeability, supramolecular structure, surface tension, electrochemical potentials and enable further.

Die durch das kontinuierliche, technisch skalierbare und mit kontinuierlichem Waschschritt versehene Verfahren hergestellten freistehenden 2D-Membranen können somit mit Poren im Bereich von Å bis hin zu 10 nm versehen werden, wobei auch noch im Anschluss an dieses Verfahren gemäß dem Stand der Technik eine anwendungsbezogene Modifikation dieser Membranen möglich ist, um diese bspw. im Bereich Nanofiltration, Umkehrosmose, Gesundheitstechnologien (bspw. Dialyse und Sensorik) und Energietechnologien (Speicher- und Photovoltaik-Technologien) einzusetzen. The free-standing 2D membranes produced by the continuous, technically scalable process with a continuous washing step can thus be provided with pores in the range from Å to 10 nm, with an application-related modification also following this process according to the prior art of these membranes is possible in order to use them, for example, in the field of nanofiltration, reverse osmosis, health technologies (e.g. dialysis and sensor technology) and energy technologies (storage and photovoltaic technologies).

Vergleichsbeispiel 3Comparative example 3

Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen photoschaltbaren 2D-Membran ohne Poren (Stand der Technik)Process for the production of an ultra-thin 2D photoswitchable membrane without pores (prior art)

Für die Herstellung einer photoschaltbaren 2D-Membran, die ihre Oberflächeneigenschaften, insbesondere Oberflächenspannung / Adhäsion / Benetzbarkeit, aber auch supramolekulare Strukturen, Polarität, Permeabilität, elektrische und optische Membran- bzw. Schichteigenschaften, unter Beleuchtung ändert, sodass die Membran / Oberflächenbeschichtung in der Sensorik oder zur Delamination von Biofilmen finden kann Anwendungen, wird bspw. ein amphiphiles 4-Hydroxy-1,3-Thiazol eingesetzt.For the production of a photoswitchable 2D membrane, which changes its surface properties, in particular surface tension / adhesion / wettability, but also supramolecular structures, polarity, permeability, electrical and optical membrane or layer properties, under illumination, so that the membrane / surface coating in the sensor or for the delamination of biofilms, for example an amphiphilic 4-hydroxy-1,3-thiazole is used.

Alternativ dazu können aber auch andere Farbstoffe, die Oberflächenpolarität per Elektronendichteumverteilung durch Absorption verändern, eingesetzt werden.Alternatively, however, other dyes that change surface polarity via electron density redistribution through absorption can also be used.

Für die kontinuierliche Herstellung der 2D-Membran wird die in 1 dargestellte Anordnung verwendet, wobei das 4-Hydroxy-1,3-Thiazol mit einer Konzentration von 0,1 mmol/l (oder im Bereich 0,01 - 1 mmol/l) mit dem Lösemittel Chloroform als Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) tropfenweise (batchweise oder kontinuierlich) auf die Wasseroberfläche an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) [= im Spreitbereich] aufgebracht, wobei der (Spreit-) Volumenstrom bei 200 µl/s (oder im Bereich 20 - 2000 gl/s) liegt, sodass eine Fläche pro Molekül von 120 Å2 (oder im Bereich 90 - 200 Å2) im Mittel auf der verfügbaren Subphasenoberfläche resultiert.For the continuous production of the 2D membrane, the in 1 shown arrangement used, wherein the 4-hydroxy-1,3-thiazole with a concentration of 0.1 mmol / l (or in the range 0.01 - 1 mmol / l) with the solvent chloroform as a monomer solvent mixture (2) dropwise applied (batchwise or continuously) to the water surface at the water-air interface (13) [= in the spreading area], the (spreading) volume flow being 200 µl/s (or in the range 20 - 2000 gl/s), resulting in an average area per molecule of 120 Å 2 (or in the range 90 - 200 Å 2 ) on the available subphase surface.

Über die Schlepprolle (4) wird eine Verschiebegeschwindigkeit von 60 mm/min oder im Bereich 1 - 3000 mm/min generiert, so dass die Monomere /Moleküle an die Wasseroberfläche (3) transferiert und dort ihre Oberflächenkonzentration zu einer dichten Packung (entsprechend einer kondensierten Phase die die Schaltung der Grenzflächeneigenschaften erlaubt) erhöht wird, so dass die an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) befindlichen 4-Hydroxy-1,3-Thiazol sukzessive zu einer 2D-Membran in Form eines Langmuir-Film komprimiert werden.A displacement speed of 60 mm/min or in the range of 1 - 3000 mm/min is generated via the drag roller (4), so that the monomers/molecules are transferred to the water surface (3) and their surface concentration there becomes a dense packing (corresponding to a condensed Phase which allows the switching of the interface properties) is increased, so that the 4-hydroxy-1,3-thiazole located at the water-air interface (13) are successively compressed to form a 2D membrane in the form of a Langmuir film.

Die Immobilisierung dieser 2D-Membran erfolgt, in dem der gepackte 4-Hydroxy-1,3-Thiazol-Film auf zu funktionalisierenden Oberflächen aller Art, bspw. Folien, aber auch Formteile in Form des Trägermaterials (71) abgeschieden wird.This 2D membrane is immobilized by depositing the packed 4-hydroxy-1,3-thiazole film on all types of surfaces to be functionalized, e.g. foils, but also molded parts in the form of the carrier material (71).

Die Geschwindigkeit der Abscheidung wird so gewählt, dass ein konstanter Grenzflächendruck im Abscheidebecken vorliegt (im Bereich 1 - 3000 mm/min, typischerweise etwas kleiner als die Transferrollengeschwindigkeit).The speed of the separation is selected in such a way that there is a constant boundary surface pressure in the separation basin (in the range 1 - 3000 mm/min, typically slightly lower than the speed of the transfer roller).

Um die Adhäsion von Analyten oder Verunreinigungen an Sensoroberflächen zu schalten, kann die oben beschriebene Membran auf Transistoren, Halbleiter- oder Leiterschichten oder eine transparente Folie abgeschieden werden, um Transistor- oder Widerstand-basierte Sensorik oder eine photometrische Sensorik zu realisieren.In order to switch the adhesion of analytes or contaminants to sensor surfaces, the membrane described above can be deposited on transistors, semiconductor or conductor layers or a transparent film in order to realize transistor- or resistance-based sensors or photometric sensors.

Vergleichsbeispiel 4Comparative example 4

Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen vdW 2D-Membran ohne Poren (Stand der Technik)Process for manufacturing an ultra-thin vdW 2D membrane without pores (state of the art)

Für die Herstellung einer ultradünnen und asymmetrisch polarisierbaren 2D-Membran (vdW 2D-Membran), bei der Energie- und Ladungstransfer, insbesondere Licht-getrieben oder elektrisch gesteuert, sowie ggf. Diffusion durch sie hindurch möglich ist, wird ein amphiphiles Protoporphyrin IX und Methylenblau als Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) eingesetzt.An amphiphilic protoporphyrin IX and methylene blue are used to produce an ultra-thin and asymmetrically polarizable 2D membrane (vdW 2D membrane), in which energy and charge transfer, in particular light-driven or electrically controlled, and, if necessary, diffusion through it is possible used as monomer-solvent mixture (2).

Alternativ dazu eignen sich auch die Kombinationen aus Fluorophor und ionischem oder nicht-ionischem Farbstoff, solange eine Molekülart wasserlöslich und eine wasserunlöslich ist. Die wasserunlösliche Komponente bildet dabei den 2D-Membranfilm an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) aus, wobei beide Komponenten attraktive intermolekulare Wechselwirkungen aufeinander ausüben müssen.Alternatively, the combinations of fluorophore and ionic or non-ionic dye are also useful, as long as one molecular species is water soluble and one is water insoluble. The water-insoluble component forms the 2D membrane film at the water-air interface (13), with both components having to exert attractive intermolecular interactions on one another.

Die Moleküle der wasserlöslichen Komponente üben entweder attraktive intermolekulare Kräfte aufeinander aus, haben mehr als eine funktionelle Gruppe, die eine intermolekulare Bindung zur wasserunlöslichen Komponente ausübt oder erfüllen beide vorgenannten Kriterien.The molecules of the water-soluble component either exert attractive intermolecular forces on one another, have more than one functional group that exerts an intermolecular bond to the water-insoluble component, or meet both of the above criteria.

Die kontinuierliche Herstellung der polarisierbaren 2D-Membran (vdW 2D-Membran) erfolgt mit einer Vorrichtung gemäß 1, wobei das Protoporphyrin IX mit einer Konzentration von 0,005 mmol/l (oder im Bereich 0,006 - 0,0001 mmol/l) mit dem Lösemittel Chloroform als Monomeren-Lösungsmittelmischung (2), tropfenweise (batchweise oder kontinuierlich) auf die Wasseroberfläche (3) mit einem (Spreit-) Volumenstrom von 200 µl/s (oder im Bereich 20 - 2000 µl/s) aufgebracht wird, sodass eine Fläche pro Molekül von 200 Å2 (oder im Bereich 150 - 600 Å2) im Mittel auf der verfügbaren Subphasenoberfläche resultiert.The continuous production of the polarizable 2D membrane (vdW 2D membrane) takes place with a device according to 1 , wherein the protoporphyrin IX with a concentration of 0.005 mmol/l (or in the range 0.006 - 0.0001 mmol/l) with the solvent chloroform as a monomer-solvent mixture (2), dropwise (batchwise or continuously) onto the water surface (3) is applied with a (spreading) volume flow of 200 µl/s (or in the range 20 - 2000 µl/s), so that an average area per molecule of 200 Å 2 (or in the range 150 - 600 Å 2 ) on the available Subphase surface results.

Über eine Schlepprolle (4) werden die Moleküle mit der Verschiebegeschwindigkeit = 60 mm/min (oder im Bereich 1 - 3000 mm/min) an die Wasseroberfläche (3) transferiert, wobei das Methylenblau in gelöstem Zustand mit einer Konzentration von 0,1 mmol/l (oder im Bereich 1 - 0,01 mmol/l) enthalten ist und dort ihre Oberflächenkonzentration zu einer dichten Packung (entsprechend einer kondensierten Phase) erhöht und somit die an der Wasser-Luft-Grenzfläche (3) befindlichen Fluorophore - ionischer Farbstoff -Gemisch sukzessive zu einer 2D-Membran in Form eines Langmuir-Film komprimiert werden.The molecules are transferred to the water surface (3) at a displacement speed of 60 mm/min (or in the range of 1 - 3000 mm/min) via a drag roller (4), with the methylene blue being dissolved in a concentration of 0.1 mmol /l (or in the range 1 - 0.01 mmol/l) and there its surface concentration increases to a dense packing (corresponding to a condensed phase) and thus the fluorophores located at the water-air interface (3) - ionic dye mixture can be successively compressed into a 2D membrane in the form of a Langmuir film.

Die Immobilisierung dieser 2D-Membran erfolgt, in dem der gepackte Fluorophor - ionischer Farbstoff -Gemisch -Film wird auf Mikrogittern/- netzen als Trägermaterial (71) abgeschieden wird, welche kontinuierlich dem oben beschriebenen System zugeführt werden.This 2D membrane is immobilized by depositing the packed fluorophore-ionic dye mixture film on microgrids/networks as carrier material (71), which are continuously fed to the system described above.

Alternativ kann die 2D-Membran auch auf Halbleiter- oder Leiterschichten oder eine transparente Folie abgeschieden werden.Alternatively, the 2D membrane can also be deposited on semiconductor or conductor layers or a transparent film.

Die Geschwindigkeit der Abscheidung wird so gewählt, dass ein konstanter Grenzflächendruck im offenen Becken (1) vorliegt (im Bereich 1 - 3000 mm/min, typischerweise etwas kleiner als die Transferrollengeschwindigkeit).The speed of the deposition is chosen so that there is a constant boundary surface pressure in the open basin (1) (in the range 1 - 3000 mm/min, typically slightly lower than the speed of the transfer roller).

Dies so gefertigten D-Membranen sind universell einsetzbar, sodass sie in gasförmigen, flüssigen, Gel-artigen, festen Umgebungen und deren Kombinationen eingesetzt werden können und chemisch beständig sind.The D membranes manufactured in this way are universally applicable, so that they can be used in gaseous, liquid, gel-like, solid environments and combinations thereof and are chemically resistant.

Vergleichsbeispiel 5Comparative example 5

Herstellung einer Sensorschicht ohne Poren zum Einsatz bei der Detektion von Stickstoffmonoxid (nicht Gegenstand der Erfindung)Production of a sensor layer without pores for use in the detection of nitrogen monoxide (not the subject of the invention)

Für die Herstellung einer ultradünnen und 2D-Membran, die ihre elektronischen und optischen Eigenschaften bei Bindung von Stickstoffmonoxid (NO), einem wichtigen Biomarker, ändert, sodass die Bindung von NO elektronisch, bspw. mittels Transistoren, oder photonisch/photometrisch ausgelesen werden kann, wird als Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) ein amphiphiler Eisen(III)Corrol-Farbstoff (im Folgenden kurz „Corrol“ genannt) in Kombination mit Tris-Base oder Tris(2-Aminoethyl)Amin eingesetzt. Alternativ zum „Corrol“ eignen sich weitere (Übergangs-) Metallkomplexe, die Stickstoffmonoxid, ggf. reversibel, binden können.For the production of an ultra-thin and 2D membrane that changes its electronic and optical properties upon binding of nitric oxide (NO), an important biomarker, so that the binding of NO can be read out electronically, e.g. by means of transistors, or photonically/photometrically, an amphiphilic iron(III) corrol dye (hereinafter referred to as “corrol” for short) is used as the monomer/solvent mixture (2) in combination with tris base or tris(2-aminoethyl)amine. As an alternative to “corrol”, other (transition) metal complexes that can bind nitrogen monoxide, possibly reversibly, are suitable.

Als Alternative zum Quervernetzer Tris-Base oder Tris(2-Aminoethyl)Amin können anderere Moleküle mit mehreren Lewis-Base-Gruppen eingesetzt werden.As an alternative to the tris base or tris(2-aminoethyl)amine crosslinker, other molecules having multiple Lewis base groups can be used.

Die kontinuierliche Herstellung der 2D-Membran erfolgt, in dem das Corrol mit einer Konzentration von 0,1 mmol/l (oder im Bereich 0,01 - 1 mmol/l) zusammen mit dem Lösemittel: Chloroform:Methanol (70:30, oder im Bereich 90:10 bis 60:40 oder andere geeignete Lösemittel bzw. Lösemittelgemische)] als Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) tropfenweise (batchweise oder kontinuierlich) auf die Wasseroberfläche (3) an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) (= Spreitbereich) aufgebracht, wobei der (Spreit)-Volumenstrom 200 µl/s beträgt (oder im Bereich 20 - 2000 µl/s liegt), sodass eine Fläche pro Molekül von 200 Å2 (oder im Bereich 20 - 2000 Å2) im Mittel auf der verfügbaren Subphasenoberfläche resultiert.The continuous production of the 2D membrane is carried out by mixing the corrol with a concentration of 0.1 mmol/l (or in the range 0.01 - 1 mmol/l) together with the solvent: chloroform:methanol (70:30, or in the range 90:10 to 60:40 or other suitable solvents or solvent quantities mix)] as a monomer-solvent mixture (2) dropwise (batchwise or continuously) onto the water surface (3) at the water-air interface (13) (= spreading area), the (spreading) volume flow being 200 μl/s (or in the range 20 - 2000 µl/s), resulting in an average area per molecule of 200 Å 2 (or in the range 20 - 2000 Å 2 ) on the available subphase surface.

Über die Schlepprolle (4), welche sich mit einer (Verschiebe)-Geschwindigkeit von 60 mm/min (oder im Bereich 1 - 3000 mm/min) um ihre Achse dreht, werden die Moleküle in dem Becken (1) an die Wasser-Luft-Grenzfläche (13) transferiert und dort ihre Oberflächenkonzentration zu einer dichten Packung (entsprechend einer kondensierten Phase) erhöht und somit die an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) befindlichen Corrole sukzessive zu einer 3D-Membran in Form eines Langmuir-Film komprimiert.The molecules in the basin (1) are attached to the water Air interface (13) transferred and there their surface concentration to a dense packing (corresponding to a condensed phase) increases and thus the at the water-air interface (13) located corrole successively compressed to a 3D membrane in the form of a Langmuir film .

Während dieser Komprimierung wird der oben genannte Quervernetzer als wässrige Lösung im selben Stoffmengenstrom wie das Corrol in die Subphase des Abscheidebeckens zugeführt. Diese Zuführung wird während des Prozesses so angepasst, dass sich ein konstanter pH-Wert einstellt. Die Aminogruppen des Quervernetzers binden an die Säuregruppen des Corrols und stabilisieren somit den 2D-Membranfilm durch Quervernetzung.During this compression, the above-mentioned cross-linking agent is fed into the subphase of the separating tank as an aqueous solution in the same mass flow rate as the corrol. This feed is adjusted during the process in such a way that a constant pH value is established. The amino groups of the crosslinker bind to the acid groups of the corrole and thus stabilize the 2D membrane film through crosslinking.

Die Immobilisierung dieser 2D-Membran (quervernetzte Corrol-Film) wird auf Transistoren abgeschieden, die auf einer Folie als Trägermaterial (71) immobilisiert wurden und kontinuierlich dem oben beschriebenen System zugeführt werden.The immobilization of this 2D membrane (cross-linked corrol film) is deposited on transistors, which have been immobilized on a foil as a carrier material (71) and are continuously fed to the system described above.

Alternativ kann die Schicht auch auf Halbleiter- oder Leiterschichten oder eine transparente Folie abgeschieden werden, um statt einer Transistor-basierten Sensorik eine Widerstands-basierte oder eine photometrische Sensorik zu realisieren.Alternatively, the layer can also be deposited on semiconductor or conductor layers or a transparent film in order to implement a resistance-based or photometric sensor system instead of a transistor-based sensor system.

Die Geschwindigkeit der Abscheidung wird dabei so gewählt, dass ein konstanter Grenzflächendruck im Abscheidebecken vorliegt (im Bereich 1 - 3000 mm/min, typischerweise etwas kleiner als die Transferrollengeschwindigkeit).The speed of the separation is selected in such a way that there is a constant boundary surface pressure in the separation basin (in the range 1 - 3000 mm/min, typically slightly lower than the speed of the transfer roller).

Zum Schutz dieser 2D-Membran und als permselektive Funktionsschicht kann entsprechend Ausführungsbeispiel 1 auch noch eine 2D-Polymermembran auf den Corrol-Film aufgebracht, wobei das Monomer hier als Bisphenol-A-Diemethacrylat, der Radikalinitiator als Azobis(isobutyronitril) kurz AIBN oder Phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide (Irgacure 819) ist und die UV-Wellenlänge für die Polymerisationsinitiierung als 365 nm (300 - 400 nm) gewählt werden.To protect this 2D membrane and as a permselective functional layer, a 2D polymer membrane can also be applied to the corrole film in accordance with exemplary embodiment 1, with the monomer here as bisphenol A dimethacrylate, the radical initiator as azobis(isobutyronitrile) AIBN for short or phenylbis( 2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide (Irgacure 819) and the UV wavelength for polymerization initiation can be chosen as 365 nm (300-400 nm).

Dies so gefertigten 2D-Membranen mit zusätzlichen Sensormolekülen in Form von NO-Sensormolekülen, bei dem die energetische Initiation von Monomeren an einer Wasser-Luft-Grenzfläche erfolgt, sind universell für Stickstoffmonoxidmessungen einsetzbar.The 2D membranes produced in this way with additional sensor molecules in the form of NO sensor molecules, in which the energetic initiation of monomers takes place at a water-air interface, can be used universally for nitrogen monoxide measurements.

BezugszeichenlisteReference List

11
offenes Beckenopen pool
11, 1211, 12
Beckenwändenpool walls
1313
Wasser-Luft-Grenzflächewater-air interface
22
Monomeren-Lösungsmittelmischungmonomer solvent mixture
33
Wasseroberflächewater surface
44
Schlepprolledrag roller
4141
Luft-zugewandte Oberflächeair-facing surface
55
energetischer Initiatorenergetic initiator
66
eingebrachte Energiecontributed energy
77
fördernde Rollepromoting role
7171
poröses Trägermaterialporous carrier material
88th
2D-Membran, bspw. 2D-Polymerfilm2D membrane, e.g. 2D polymer film
99
zweite fördernden Rollesecond promotional role
1010
Transportrolletransport roller
100100
vom Wasser des Beckens (1) abgetrennter Bereich (Lösungsmittelbadarea separated from the water of the pool (1) (solvent bath
110, 120110, 120
Rollen für den Transport durch das LösungsmittelbadRollers for transport through the solvent bath
200200
Porepore
300300
nicht polymerisierbare kleine Molekülenon-polymerizable small molecules

Claims (9)

Verfahren zur Herstellung einer ultradünnen freistehenden 2D-Membran mit Poren (200) bei dem kovalente oder nichtkovalente Bindungen zwischen Monomeren an einer Wasser-Luft-Grenzfläche erfolgen, bei dem: • die Monomere in ein Lösungsmittel aufgenommen und mit diesem vermischt werden, so dass eine Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) entsteht, • diese Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) vereinzelt auf eine Wasseroberfläche (3) aufgebracht wird, wobei sich die Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) anordnet, das Lösungsmittel verdampft, die Monomere auf der Wasseroberfläche (3) verbleiben und sich das Wasser in einem offenen Becken (1) mit Wänden befindet, in welchem zwischen den zwei gegenüberliegenden Beckenwänden (11 und 12) eine gerichtete Bewegung der Wasseroberfläche (3) erzeugbar ist, in dem eine Schlepprolle (4) das Becken (1) zwischen den beiden Beckenwänden (11 und 12) in zwei Bereiche teilt und mit ihrem Querschnitt teilweise unter der Wasseroberfläche (3) um ihre Längsachse drehend bewegt wird und das Aufbringen der Monomeren-Lösungsmittelmischung (2) zwischen der ersten Beckenwand (11) und der Schlepprolle (4) erfolgt, • die Luft-zugewandte Oberfläche (41) der Schlepprolle (4) die Monomere von der Wasseroberfläche (3) aufnimmt und in Richtung der zweiten Beckenwand (12) wieder auf die Wasseroberfläche (3) abgibt und dabei komprimiert, • im Bereich hinter der Komprimierung in Richtung der Bewegung der Wasseroberfläche (3) hin zur zweiten Beckenwand (12) für kovalente Bindungen zwischen den Monomeren ein energetischer Initiator (5) befindlich ist und Energie (6) eingebracht wird, • in Folge der Wirkung der kovalenten Bindung eine 2D-Membran (8) aus den Monomeren an der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) ausgebildet wird, • diese gebildete 2D-Membran (8) nachfolgend im Bereich der Wasser-Luft-Grenzfläche (13) von einer, das poröse Trägermaterial (71) fördernden Rolle (7) in Richtung der Bewegung der Wasseroberfläche (3) hin zur zweiten Beckenwand (12) von der Wasseroberfläche (3) abgenommen wird, so dass das poröse Trägermaterial (71) auf seiner der Wasseroberfläche (3) zugewandten Seite in der Luft mit der 2D-Membran (8) als freistehende 2D-Membran beschichtet wird, • und abschließend das mit der freistehenden 2D-Membran versehene Trägermaterial (71) getrocknet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als energetischer Initiator (5) ein Photoinitiator verwendet wird und als eingebrachte Energie (6) eingestrahltes UV-Licht (6) zur Polymerisation der Monomere eingestrahlt wird, wobei nach dem Schritt der Polymerisation ein Waschschritt in einem vom Wasserbecken abgetrennten Lösungsmittelbad, das ein Lösungsmittel für nicht polymerisierbare kleine Moleküle (300) enthält, erfolgt, wobei im ersten Schritt des gesamten Verfahrens den Monomeren die nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) zugemischt werden, so dass eine Monomeren-Moleküle-Lösungsmittelmischung entsteht, um durch das Herauslösen der nicht polymerisierbaren kleinen Moleküle (300) Poren (200) in der ultradünnen freistehenden 2D-Membran zu generieren.A method of making an ultrathin 2D freestanding porous membrane (200) involving covalent or noncovalent bonding between monomers at a water-air interface, comprising: • taking the monomers into and mixing with a solvent such that a Monomer-solvent mixture (2) is formed, • this monomer-solvent mixture (2) is applied individually to a water surface (3), the monomer-solvent mixture (2) arranging itself at the water-air interface (13), the solvent evaporates , the monomers remain on the water surface (3) and the water is in an open pool (1) with walls in which between the two opposing pool walls (11 and 12) a directed movement of the water surface (3) can be generated by a drag roller (4) dividing the pool (1) between the two pool walls (11 and 12) into two areas and with its cross section partially below the water surface (3) is rotated about its longitudinal axis and the application of the monomer-solvent mixture (2) takes place between the first pool wall (11) and the drag roller (4), • the air-facing surface (41) of the drag roller (4) the absorbs monomers from the water surface (3) and releases them back onto the water surface (3) in the direction of the second pool wall (12) and thereby compresses them, • in the area behind the compression in the direction of movement of the water surface (3) towards the second pool wall (12 ) there is an energetic initiator (5) for covalent bonds between the monomers and energy (6) is introduced, • as a result of the effect of the covalent bond, a 2D membrane (8) from the Mo nomeren is formed at the water-air interface (13), • this formed 2D membrane (8) subsequently in the area of the water-air interface (13) by a, the porous carrier material (71) promoting role (7) in Direction of movement of the water surface (3) toward the second pool wall (12) is removed from the water surface (3), so that the porous carrier material (71) on its water surface (3) facing side in the air with the 2D membrane ( 8) is coated as a free-standing 2D membrane, • and finally the support material (71) provided with the free-standing 2D membrane is dried, characterized in that a photoinitiator is used as the energetic initiator (5) and a photoinitiator is used as the energy (6) introduced UV light (6) is irradiated to polymerize the monomers, with the polymerization step being followed by a washing step in a solvent bath separated from the water tank, which contains a solvent for non-polymerizable small M contains molecules (300), the non-polymerizable small molecules (300) being admixed to the monomers in the first step of the entire process, so that a monomer-molecule-solvent mixture is formed in order to, by dissolving the non-polymerizable small molecules (300) Generate pores (200) in the ultrathin free-standing 2D membrane. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schritt der Beschichtung des porösen Trägermaterials (71) auf seiner der Wasseroberfläche (3) zugewandten Seite in der Luft mit dem 2D-Polymerfilm (8) und dem Schritt der Trocknung des mit der freistehenden 2D-Membran versehenen Trägermaterials (71) ein weiterer Verfahrensschritt erfolgt, bei dem eine weitere, ebenfalls poröses Trägermaterial (71) fördernde Rolle (9) in Richtung der Bewegung der Wasseroberfläche (3) hin zur zweiten Beckenwand (12) in der Luft angeordnet ist, durch welche das Trägermaterial (71) mit der zuvor noch Trägermaterial-freien Seite des 2D-Polymerfilms (8) in Kontakt gebracht wird, so dass eine beidseitig durch das Trägermaterial geschützte freistehende Polymermembran (81) ausgebildet wird, welche über eine Transportrolle (10) abführbar ist.procedure according to claim 1 , characterized in that between the step of coating the porous support material (71) on its side facing the water surface (3) in air with the 2D polymer film (8) and the step of drying the support material provided with the free-standing 2D membrane (71) a further process step takes place, in which a further roller (9), which also conveys porous carrier material (71), is arranged in the direction of movement of the water surface (3) towards the second pool wall (12) in the air, through which the carrier material (71) is brought into contact with the side of the 2D polymer film (8) that was previously free of carrier material, so that a free-standing polymer membrane (81) protected on both sides by the carrier material is formed, which can be removed via a transport roller (10). Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Monomere zusätzlich Farbstoffmoleküle in Form von Chromophoren oder Fluorophoren enthalten.procedure according to claim 1 or 2 , characterized in that the monomers additionally contain dye molecules in the form of chromophores or fluorophores. Verfahren gemäß Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Monomere zusätzlich Sensormoleküle enthalten.procedure according to claim 1 ,2 or 3, characterized in that the monomers additionally contain sensor molecules. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittelbad ein Ultraschallbad ist.procedure according to claim 1 or 2 , characterized in that the solvent bath is an ultrasonic bath. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Monomere photoaktivierbare Moleküle sind.Method according to one or more of Claims 1 until 5 , characterized in that the monomers are photoactivatable molecules. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die photoaktivierbaren Moleküle Methylacrylate sind.procedure according to claim 5 , characterized in that the photoactivatable molecules are methyl acrylates. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das UV- Licht (6) eine Wellenlänge von 300 - 400 nm aufweist.Method according to one or more of Claims 1 until 6 , characterized in that the UV light (6) has a wavelength of 300-400 nm. Verwendung der durch das Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten freistehenden 2D-Membran mit Poren (200) im Bereich von Ä bis hin zu 10 nm für eine anwendungsbezogene Modifikation dieser für den Einsatz im Bereich der Nanofiltration, der Umkehrosmose, der Dialyse oder der Sensorik in der Gesundheitstechnologien und dem Bereich der Energiespeicher- oder Photovoltaik-Technologien.Use of by the method according to one or more of Claims 1 until 8th manufactured free-standing 2D-membrane with pores (200) in the range of λ up to 10 nm for an application-related modification of this for use in the field of nanofiltration, reverse osmosis, dialysis or sensor technology in health technologies and the field of energy storage or photovoltaic technologies.
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