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vorgelegt von
Raphaela BaumannJohanna Kaltenbach
Felix Brunner
Synthese von Opalen
jugend forschtforschtthcsrof dju nge
30 Jahre
1978-2008an der Georg-Kerschensteiner Schule
Technisches Gymnasium Müllheim
Georg-Kerschensteiner Schule
Technisches Gymnasium Müllheim
Inhaltsverzeichnis 1
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis.........................................................................................................1
Abbildungsnachweis ....................................................................................................1
Einleitung.......................................................................................................................2
1 Opale ...................................................................................................................2 1.1 Globales Opalvorkommen ...................................................................................3 1.2 Eigenschaften und Struktur von natürlichem Opal...............................................4
2 Synthese von Opalen ........................................................................................5 2.1 Herstellung von Silikatnanokugeln.......................................................................6 2.1.1 Die Stöber-Synthese............................................................................................6 2.1.2 Analyse durch Rasterelektronenmikroskopie.......................................................8 2.2 Sedimentation von Silikatnanokugeln ..................................................................8 2.3 Trocknung der erhaltenen Sedimente..................................................................9 2.3.1 Überkritische Trocknung ......................................................................................9 2.3.2 Trocknung bei Raumtemperatur ........................................................................10 2.3.3 Trocknung unter Druck ......................................................................................10 2.3.4 Koppelung Trocknung und Verfestigung............................................................11 2.4 Verfestigung der Sedimente ..............................................................................11 2.4.1 Tetramethoxysilan, Wasser, Salzsäure .............................................................12 2.4.2 Tetramethoxysilan, Wasser, Methanol...............................................................12 2.4.3 Tetramethoxysilan in feuchter Luft.....................................................................13 2.4.4 Tetraethoxysilan in feuchter Luft........................................................................13
3 Ergebnisse........................................................................................................14
4 Danksagung .....................................................................................................14
Abbildungsnachweis Die Rechteinhaber an allen in diesem Bericht abgedruckten Abbildungen sind die Autoren, Abweichungen und Bemerkungen sind entsprechend angegeben.
Einleitung 2
Einleitung Das initiierende Ereignis für die Bearbeitung dieses Themas war eine Sendung im Fernsehen, bei der es um die Möglichkeiten ging, die photonische Kristalle in Zukunft eröffnen. Die Grundstruktur photonischer Kristalle liegt im natürlichen Opal vor (s. u.).
Photonische Kristalle werden auch als photonisches Bandlückenmaterial bezeichnet. Sie zeigen gegenüber dem Licht ähnliche Eigenschaften, wie Silizium gegenüber Elektronen. Die Entwicklung optischer Computer scheint auf der Basis von photonischen Kristallen denkbar. Aber auch andere Anwendungen zeichnen sich ab. Unser betreuender Lehrer Herr Schäfer griff das Thema auf. Nach umfangreichen organisatorischen Vorarbeiten begannen zu Beginn des Schuljahres 2005/06 an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim die Arbeiten zur Opalsynthese. Das Projekt lief im Rahmen des Europäischen Förderprogramms Comenius zusammen mit dem Lucée d’enseignement général et technologique Louis Armand in Mulhouse/Frankreich und dem Berzsenyi Dániel Gimnázium in Budapest/Ungarn. Das gemeinsame Ziel was die Synthese von hochwertigen Opalen wie sie für Schmuckzwecke Verwendung finden. Obwohl zwei Jahre lang an diesem Thema gearbeitet wurde, befriedigte das Ergebnis noch nicht in allen Punkten. Dies war der Anlaß die Arbeiten als „Jugend forscht“-Arbeit weiter zu führen, da sich Lösungswege abzeichneten, sie jedoch aus Zeitmangel nicht weiter bearbeitet werden konnten.
1 Opale Opal ist ein amorphes Mineral, welches hydrothermal in Gestein abgeschieden wurde. Der einzige Verwendungszweck für Opale ist, bis dato, die Verarbeitung als Schmuckstein.
1 Opale 3
Abbildung 1: Opalschmuckanhänger aus Gold mit Diamant.
Schmuckopale zeichnen sich durch ein faszinierendes Farbenspiel aus (Abb. 1), die Lebhaftigkeit dieses Farbenspiels ist neben dem Gewicht ein Hauptkriterium für den erzielbaren Marktpreis.
1.1 Globales Opalvorkommen
Abbildung 2: Hauptförderländer von Schmuckopalen.1
Opal ist ein recht häufiges Mineral, die Vorkommen an qualitativ hochwertigen und seltenen Schmuckopalen ist aber auf einige Regionen der Erde beschränkt (Abb. 2). Das Hauptförderland für Opale in Schmuckqualität ist mit 96% Marktanteil Australien. Die restlichen 4% teilen sich hauptsächlich Mexiko und Brasilien unter sich auf.2
1 Angepasste SVG-Grafik; Quelle: <http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:BlankMap-
World6.svg>, public domain. 2 <http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Opal&oldid=39408042> .
1 Opale 4
Je nach Fundort unterscheiden sich die geförderten Opale in ihrem Aussehen und ihren Eigenschaften. Man unterscheidet unter anderem zwischen Milchopal (farblos), Schwarzopal (schwarz mit sehr kontrastreichem Farbenspiel), Boulder-Opal (blau), Feueropal, Wasseropal und Kristallopal.3
1.2 Eigenschaften und Struktur von natürlichem Opal
Wie oben bereits erwähnt, zeichnen sich Schmuckopale durch ein mehr oder weniger lebhaftes Farbenspiel aus. Dieser als Opaleszens bezeichnete physikalische Effekt ist durch die innere Struktur der Opale erklärbar.
Opal ist wie Glas ein amorpher Feststoff, d. h. die atomare Struktur von Opal weist keine räumlich atomare Regelmäßigkeit auf wie dies bei kristallinen Festkörpern der Fall ist. Bedauerlicherweise können bei amorphen Festkörpern mittels Röntgenstrukturanalyse keine aussagekräftigen Angaben über die atomare Struktur gemacht werden.
Die beste Strukturanalysemethode ist in einem solchen Fall die Rasterelektronenmikroskopie.
Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines natürlichen Opals (Breite der Abbildung entspricht ca. 20 µm).
Abbildung 3 zeigt die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Oberflächenstruktur einer Bruchkante eines natürlichen Opals. Man erkennt, daß dieser Opal aus unzähligen kleinen Kugeln aufgebaut ist, die in Lagen dicht gepackter Schichten angeordnet sind. Die kleinen Kugeln (Durchmesser ca. 400 nm) bestehen aus amorphem Siliziumdioxid (SiO2; Silikatnanokugeln), je
3 Michael Wegner, Köln, <http://www.edelopale.de/opale/opalarten.html>.
2 Synthese von Opalen 5
nach Herkunft ist mehr oder weniger Wasser in den Opalen, in freier als auch gebundener Form (Kieselsäuren), enthalten (3-10%).4
Die Opaleszens der Schmuckopale kann durch die Interferenz und Streuung des Lichts an den Kugelschichten erklärt werden.
Die chemischen Eigenschaften von Opal entsprechen weitgehend denen von Quarz oder Glas, heißt in starker alkalischer Lösung (oder gar Schmelzen) sind Opale löslich.
Opale sind empfindlich gegenüber starken Temperaturschwankungen, sind nicht sehr hart (Mohs-Härte 5.5-6.5)5 und sollten nicht mechanischen Belastungen ausgesetzt werden.
2 Synthese von Opalen Wir hatten die chemische Synthese von Opalen zum Ziel unserer Arbeit gesetzt.
Silikatnanokugeln
Sediment vongeschichteten
Silikatnanokugeln
verfestigtes Sediment
"synthetischer Opal" Abbildung 4: Vorgehensweise für eine chemische Synthese von Opalen.
Der erste Schritt dieses Ziel zu erreichen besteht in der Synthese von Silikatnanokugeln mit sehr einheitlichem Durchmesser (dies ist für die Ausbildung der Schichtstrukturen eminent wichtig). Zusätzlich muß der Durchmesser der Nanokugeln in einem Bereich liegen, in dem der spätere Opal sein charakteristisches Farbenspiel (Opaleszens) zeigt (Abb. 4).
Der nächste Syntheseschritt besteht aus der Sedimentation der Nanokugeln zu einem Sediment in dem die Kügelchen hoch geordnet geschichtet sind.
Zum Abschluß der Synthese muß das Sediment noch verfestigt werden, um die notwendige mechanische Stabilität und Härte zu erreichen, die auch natürliche Opale aufweisen.
4 <http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Opal&oldid=177396879>. 5 Gemological Institute of America, GIA Gem Reference Guide 1995 zitiert Lit. 4; zum Vergleich:
Quarz hat als Standard der Mohs-Härteskala eine Mohs-Härte von 7.
2 Synthese von Opalen 6
2.1 Herstellung von Silikatnanokugeln
2.1.1 Die Stöber-Synthese
Eine Synthese von Silikatnanokugeln mit sehr homogener Durchmesserverteilung wurde bereits Ende der 60er Jahre von Stöber et al. beschrieben.6 Die Synthese ist beeindruckend einfach, Tetraethoxysilan [(C2H5O)4Si, TEOS] wird zu einer ammoniakalischen Lösung von Wasser und Ethanol zugegeben und mehrere Stunden gerührt.7
300 310 320Partikeldurchmesser in nm
290
20%
60%
100%
Abbildung 5: links: Synthese von Silikatnanokugeln nach dem Stöber-Verfahren. Die Trübung der Lösungen rührt von den entstandenen Kügelchen her. rechts: Verteilung der Kügelchengröße als Ergebnis der Stöber-Synthese, gut erkennbar ist die relativ schmale Verteilung um das Maximum in diesem Fall bei ca. 303 nm (gemessen mittels Lichtstreuung).
Das Entstehen der Silikatnanokugeln kann an der schnellen Eintrübung der anfangs klaren Lösung erkannt werden (Abb. 5). Diese Methode liefert Silikatnanokugeln mit sehr definierter Durchmesserverteilung. Der durchschnittliche Durchmesser der Nanokugeln läßt sich durch die zugegebenen Mengen an Wasser, Ethanol, Ammoniak und TEOS variieren und hatte erheblichen Einfluß auf die spätere Opaleszens.
6 Werner Stöber, Arthur Fink and Ernst Bohn, Journal of Colloid and Interface Science 1968, 26,
62-69. 7 Zu einer Lösung von Ethanol (100 ml), Wasser (54 ml) und wässr. Ammoniaklösung (25%, 2.5
ml) wurden bei Raumtemp. Tetraethoxysilan (20 ml) so schnell als möglich unter Rührung zugegeben. Es wurde zwei Stunden bei Raumtemp. gerührt. Die entstandene Suspension wurde gleichmäßig auf zwei 100ml-Reagenzläser verteilt und sedimentieren gelassen. ca. 80% der erhaltenen Sedimente opaleszierten.
Bei der Verwendung von nur 27 ml (statt 54 ml) Wasser opaleszierten später nur etwa 30% der Sedimente (Sokrates-Comenius-Projekt: Synthese von Opalen an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim 2005-2007).
2 Synthese von Opalen 7
4H2O 4EtOHSi(OH)4+ +Si(OEt)4NH3
Si
OH
OH
OH
Si
OH
HO O
OH
Si
OH
O
OHn
Polykieselsäure (komplexes Netzwerk)
SiO2
Siliziumdioxid
TEOS Orthokieselsäure
Abbildung 6: Reaktionsgleichung der Umsetzung von TEOS [Si(OEt)4] mit Wasser im
Ammoniakalischen zu Kieselsäure (vereinfachtes Reaktionsschema; die wahren Vorgänge sind viel komplexer).
Uns gelang die Optimierung der Stöbersynthese dahingehend, daß wir die Ausbeute an später opaleszierenden Sedimenten von ca. 30 auf ca. 80% steigern konnten.7
Wir untersuchten in Reihenversuchen den Einfluß der Ammoniak- und Wasser-konzentration auf den Kugeldurchmesser mittels Lichtstreuung. Diese Experimente zeigten, daß die mittleren Kugeldurchmesser mit steigender Ammoniakkonzentration stark ansteigen. Ebenfalls konnten wir eine Zunahme der Durchmesser bei Verringerung der Wasserkonzentration nachweisen (Abb. 7). Wir konnten auf diese Weise bestätigen, daß die von uns ausgearbeiteten Bedingungen für die Stöbersynthese7 in puncto maximaler Zahl erhaltbarer opaleszierender Sedimente, die besten sind.8
Abbildung 7: Mittler Durchmesser der Silikatnanokugeln in Abbhängigkeit von der Ammoniak- und Wasserkonzentration [20 ml TEOS, 100 ml (rot), 110 ml (grün), 120 ml (blau) Ethanol (92%) Wasser und Ammoniak bei einem Gesamtvolumen von 176.5 ml].
8 Die rote Kurve (Abb. 7) ist die am flachsten verlaufende Kurve (bedeutet: kleine Abweichungen von den optimalen
Ammoniakmengen wirken sich nicht so sehr auf den mittleren Durchmesser aus). Die Wasserkonzentration kann
nicht mehr erhöht werden, da diese hier die Entmischungsgrenze für dieses System erreicht ist.
0 2 4 5V (Ammoniak, 25 Gew-%) / ml
hydr
odyn
amis
cher
Dur
chm
esse
r / n
m
0
200
400
600
800
1000
optimalerOpaleszensbereich
2 Synthese von Opalen 8
2.1.2 Analyse durch Rasterelektronenmikroskopie
Die hergestellten Silikatnanokugeln als Suspension in wässrigem Ethanol wurden abzentrifugiert, getrocknet und der Rückstand mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht.
Abbildung 8: Rasterelektronenmikroskopaufnahme von Silikatnanokugeln, die nach dem Stöber-Verfahren synthetisiert wurden. Der Durchmesser der Kugeln betrug etwa 400 nm, das
Sediment hatte eine schwach rötliche Opaleszens und wurde durch Zentrifugation erhalten.
Abb. 8 zeigt eine Aufnahme des Rasterelektronenmikroskops eines Trocknungsrückstandes einer Stöber-Synthese mit leicht rötlicher Opaleszens. Die Kügelchen maßen in diesem Fall ca. 400 nm im Durchmesser. Gut erkennbar ist, daß die Kügelchen durch die schnelle Sedimentationsgeschwindigkeit völlig ungeordnet sedimentiert waren.
2.2 Sedimentation von Silikatnanokugeln
Die durch die Stöber-Synthese erhaltene Suspension der Silikatnanokugeln wurden in 100ml-Reagenzgläser abgefüllt und darin über einen Zeitraum von zwei bis drei Monate – je nach Kügelchendurchmesser, je kleiner desto länger – sedimentieren gelassen (Abb. 9).9
9 Schon früher zeigte sich, daß die Sedimentation nicht beschleunigt werden kann, so scheiterten Experimente die Nanopartikel durch Zentrifugation zu sedimentieren kläglich. (Sokrates-Comenius-Projekt: Synthese von Opalen an der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim 2005-2007).
2 Synthese von Opalen 9
Abbildung 9: links: Mehrere Reagenzgläser mit der Suspension von Silikatnanokugeln in Ethanol/Wasser beim Sedimentieren. rechts: Opaleszierendes Sediment nach einigen Wochen. Gut zu erkennen ist das schöne Farbenspiel des Sediments
Schon nach etwa ein bis zwei Wochen war am Boden der Reagenzgläser eine kleine Sedimentschicht zu erkennen. Opaleszierte diese kleine Schicht, war dies ein sicheres Indiz dafür, daß das ganze später abgesetzte Sediment opaleszieren würde (Abb. 9). War dies jedoch nicht der Fall, war die Wahrscheinlichkeit groß, das auch zu einem späteren Sedimentationsstadium kein Farbenspiel sichtbar werden würde und der Inhalt des Reagenzglases verworfen werden konnte. Etwa 80% der erhaltenen Sedimente zeigten eine ausreichende Opaleszens um sie zu synthetischen Opalen weiterverarbeiten zu können.7
2.3 Trocknung der erhaltenen Sedimente
Die erhaltenen opaleszierenden Sedimente mußten vor der Verfestigung getrocknet werden. Es gibt mehere Möglichkeiten dies zu erreichen: die überkritische Trocknung; die Trocknung bei Standardbedingungen; die Trocknung unter Druck oder eine Koppelung von Trocknung und Verfestigung.
2.3.1 Überkritische Trocknung
Filin et al.10 trockneten ihre opaleszierenden Sedimente mittels Überkritischer Trocknung. Bei dieser Methode wird die Tatsache ausgenutzt, daß oberhalb der Kritischen Temperatur11 keine Gas/Flüssigkeits-Phasengrenze mehr auftreten kann, und so auch keine Dampfblasen entstehen, die das Sediment aufwirbeln.
10 S. V. Filin, A. I. Puzynin, V. N. Samoilov, Australian Gemmologist 2002, 21, 7, 278-282. 11 TC (Ethanol) = 241°C, PC (Ethanol) = 61.37 bar; TC (Wasser) = 374°C und PC (Wasser) =
220.6 bar; "Critical Constants", in CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version
2005, David R. Lide, ed., <http://www.hbcpnetbase.com>, CRC Press, Boca Raton, FL, 2005.
2 Synthese von Opalen 10
Frühere Untersuchungen dieser Trocknungsmethode erwiesen sich als zu aufwendig und von den Ergebnissen her, der Trocknung durch langsames Eintrocknen bei Raumtemperatur nicht überlegen.12
2.3.2 Trocknung bei Raumtemperatur
Eine andere Methode unsere opaleszierenden Sedimente zu trocknen war die Trocknung bei Raumtemperatur und Normaldruck durch langsames Abdampfen des fast reinen Ethanols über den Sedimenten.13
Dazu wurde die noch suspendierten Nanokugeln, die noch nicht sedimentiert waren, abpipettiert und das Reagenzglas mit einem porösen Korkstopfen verschlossen. Dies war notwendig, da die Trocknung extrem langsam erfolgen musste um die Bildung von Trocknungsrisse zu vermeiden. Binnen Wochen (3 bis 4) waren die Sedimente trocken und konnten im Anschluß verfestigt werden.12
Abbildung 10: Trockenes opaleszierendes Sediment in einem Reagenzglas.
2.3.3 Trocknung unter Druck
Diese Trocknung bei Standard-Bedingungen (s. o.) war ebenso effizient als auch langwierig. Wir entwickelten ein schnelleres Trocknungsverfahren ohne Abstriche bei der Qualität der getrockneten Sedimente machen zu müssen.
12 Sokrates-Comenius-Projekt: Synthese von Opalen an der Georg-Kerschensteiner Schule in
Müllheim 2005-2007. 13 Das Ethanol/Wasser-Gemisch aus der Stöber-Synthese konnte durch dreimaliges Waschen
mit absolutem Ethanol durch ebendieses ersetzt werden.
2 Synthese von Opalen 11
Abbildung 11: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines getrockneten und opaleszierenden Sediments.
Dieses Verfahren, das besonders gute Ergebnisse hinsichtlich verminderter Rissbildung und extrem guter Opaleszens lieferte, ist die von uns entwickelte Trocknung bei Raumtemperatur unter Druck (25 bar Sauerstoff) in einem Autoklaven über Phosphorpentoxid. Durch den aufgepresten Druck verdampft das Ethanol/Wasser-Gemisch über den Sedimenten viel langsamer als bei Normaldruck und lieferte exzellente Ergebnisse.
Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop bestätigten, daß unsere opaleszierenden Sedimente aus nahezu perfekt geschichteten Lagen dicht gepackter Silikatnanokugeln bestanden (Abb. 11).
2.3.4 Koppelung Trocknung und Verfestigung
Eine Kopplung von Trocknung und Verfestigung erwies sich, hinsichtlich Verminderung der Rißbildung als auch Qualität der Opaleszens, allen anderen getesteten Trocknungsverfahren als überlegen. Durch eine Trocknung entstanden bisher immer kleine Risse, und das Sediment zerfällt nach und nach immer mehr. Wir überschichteten Sedimente mit einer Kieselgelschicht und ließen langsam bei Standardbedingungen eintrocknen (8-10 Wochen). Durch das eintrocknende Kieselgel werden die Sedimentpartikel fixiert und fester als bei einer einfachen Trocknung. Gleichzeitig ist das sich komprimierende Kieselgel ein guter Indikator für den Trocknungsfortschritt.
2.4 Verfestigung der Sedimente
Die Verfestigung der opaleszierenden Sedimente war die größte Herausforderung der gesamten Opalsynthese. Ziel war es, die Hohlräume
2 Synthese von Opalen 12
zwischen den lose geschichteten Nanokugeln in den Sedimenten mit einem festen Silikat zu verfüllen. Wir wandten mehrere unterschiedliche Methoden an dies zu erreichen, wobei zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht abschließend fest steht, welche Methode oder Methodensequenz am besten für eine optimale Sedimentsverfestigung geeignet ist.
2.4.1 Tetramethoxysilan, Wasser, Salzsäure
Bei dieser Methode wurde Tetramethoxysilan (TMOS) mit Wasser und einer katalytischen Menge Salzsäure versetzt. Das TMOS wurde sehr schnell zu hochkonzentrierter Kieselsäure hydrolysiert. Diese Lösung wurde durch Abziehen des Methanols im Wasserstrahlvakuum noch aufkonzentriert und ein vorgefestigtes Sediment damit überschichtet. Nach einigen Stunden gelierte die Kieselsäurelösung und verschloß auch die Hohlräume zwischen den Nanokugeln. Nach Trocknung im Ofen (bei 600 bis 800°C), wurde die Prozedur wiederholt. Diese Methode musste sehr häufig (bis 10 mal) wiederholt angewandt werden, um eine gute Verfestigung zu erreichen.14
2.4.2 Tetramethoxysilan, Wasser, Methanol
Dieses Verfahren der Sedimentverfestigung ist dem obigen sehr ähnlich, es wird nur keine Salzsäure zugegeben, wodurch die Hydrolysegeschwindigkeit des TMOS sehr stark verlangsamt wird. Ein Problem bei diesem Verfahren, ist es, die Sedimentlücken mit Tetramethoxysilanlösung zu füllen, vor allem gegen Ende der Verfestigung, wenn die Lücken sehr klein werden und selbst durch Anlegen von Vakuum die enthaltene Luft nicht mehr entfernt werden kann. Durch den Austausch der in den Sedimenten enthaltenen Luft durch Wasserstoff15 gelang es uns die beschriebene Problematik zu lösen.
14 Beim Glühen einiger Sedimente trat eine Schwarzfärbung der Rohopale auf, die wir auf den
Zusatz von Vergällungszusätzen im verwendeten Ethanol zurückführen konnten. Diese Schwärzung konnte durch Kolonnendestillation des Ethanols vor der Verwendung verhindert werden.
15 Der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff in Stickstoff ist mit 0.772 cm²s-1 viel höher als die
von z.B. Sauerstoff in Stickstoff mit 0.202 cm²s-1 (beide Werte bei 293.15 K); "Diffusion in
Gases", in CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version 2005, David R. Lide,
ed., <http://www.hbcpnetbase.com>, CRC Press, Boca Raton, FL, 2005.
2 Synthese von Opalen 13
2.4.3 Tetramethoxysilan in feuchter Luft
Das nächste Verfahren unsere Sedimente zu trocknen bestand in der wiederholten Beträufelung eines Sediments mit reinem Tetramethoxysilan (TMOS) in einem Reagenzglas.
Abbildung 12: Mit blauer Tinte angefärbtes Sedimentfragment, gut erkennbar wie die Tinte das innere des Sediments färbt – bedingt durch die noch poröse Struktur – nicht aber die sehr stark
verfestigten Außenbereiche.
Das Reagenzglas wurde mit einem Stopfen verschlossen an dem ein mit Wasser befeuchtetes Stück Papierhandtuch hing. Die Luft in dem Reagenzglas sättigte sich mit dem Wasser und hydrolysierte langsam das TMOS im Sediment zu einem festen Silikat. Diese Methode war in seiner Verfestigungswirkung sehr gut, jedoch trat nach einigen Wiederholungen eine sehr starke Verfestigung nur in den äußeren Schichten des Sediments auf. Dies machte das Innere immer unzugänglicher für das zugetropfte TMOS, so daß der innere Sedimentkern porös blieb (Abb. 12) und das Sediment leicht zerbrach.
2.4.4 Tetraethoxysilan in feuchter Luft
Dieses Verfahren ist identisch mit dem oben vorgestellten (Abschnitt 2.4.3) Verfahren. Nur das hier Tetraethoxysilan (TEOS) statt Tetramethoxysilan (TMOS) verwendet wurde. Diese Methode war in den Ergebnissen viel besser, da die Verfestigung bedingt durch die langsamere Hydrolyse des TEOS viel homogener ablief.
3 Ergebnisse 14
3 Ergebnisse
Abbildung 13: Synthetischer Opal in Schmuckqualität.
Uns gelang es durch Synthese von Silikatnanokugeln, deren Sedimentation, Trocknung und Verfestigung Opale in Schmuckqualität herzustellen (Abb. 13). Jeder Teilschritt der Synthese wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie analysiert um die Synthese weiter optimieren zu können.16
Die Verfestigung zum fertigen Opal ist noch nicht optimal, da die Ausschußrate durch Zerbrechen noch zu hoch ist. In diesem Bereich sind also noch weitere Optimierungen notwendig.
4 Danksagung Wir danken unserem betreuenden Lehrer Herrn Otto Schäfer und der Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule in Müllheim Frau OStD Beate Wagner für die Unterstützung. Herrn Dipl. chem. Stefan Müller danken wir für die fachliche und textliche Betreuung. Weiterer Dank gilt Herrn Dr. Joachim Bibus, VITA Zahnfabrik Bad Säckingen für die fachliche Unterstützung und Frau Karin Wilker am Kristallographischen Institut der Universität Freiburg für die Anfertigung der Rasterelektronenmikroskopaufnahmen und Herrn Prof. Dr. Pfeiffer, Physiologisches Institut der Universität Freiburg für Lichtstreuungsanalytik.
16 Die bisher besten Ergebnisse wurden durch Trocknung eines mit Tetraethoxysilan/Wasserdampf vorverfestigten Sediments7 unter Druck (25 bar O2 über P4O10) und anschließend wurde mit Tetramethoxysilan/Wasser/Salzsäure mehrmals verfestigt. Die erhaltenen Rohopale zeichneten sich durch eine fast vollständige Transparenz aus, wie sie bei natürlichen Kristallopalen anzutreffen ist. Diese hohe Transparenz, die hohe Ausbeute an opaleszierenden Sedimenten und die Anwendung weiter verfeinerter Trocknungs- und Verfestigungsmethoden ist ein großer Fortschritt gegenüber früheren Ergebnissen.12
