Opale: Photonische Kristalle - Johannes Gutenberg-Universität Mainz

DOI: 10.1002/ciuz.200700396
Photonische Kristalle
Opale
FRIEDERIKE FLEISCHHAKER | RUDOLF ZENTEL
Mit dem Begriff Opal assoziiert man zunächst edle Schmucksteine,
die durch ein prächtiges Farbspiel beeindrucken. Der
periodisch nanostrukturierte Aufbau der Opale ist nicht nur
ein Musterbeispiel für die Selbstorganisation zu hochgeordneten
Strukturen in der Natur, sondern erlaubt es, durch die
Ausbildung einer photonischen Bandstruktur die Ausbreitung
von Licht gezielt zu manipulieren. Opalartige Strukturen aus
den verschiedensten Materialien finden vielfältige und faszinierende
Anwendungen im Grenzgebiet zwischen Physik, Chemie
und Biologie: Lichtleiter, Displays, Biosensoren oder Lacke
sind nur eine Auswahl.
Die Arbeiten der Gruppe
zu künstlichen Opalen
und Photonischen
Materialien werden auf
nationaler Ebene durch
den DFG-Schwerpunkt
Photonische Kristalle
gefördert. Auf europäischer
Ebene werden
und wurden die Arbeiten
über die Projekte
FET IST PHOBOS und
PHAT gefördert.
Die Entwicklung der Elektronenmikroskopie war ein
Meilenstein in der Strukturauflärung der natürlichen
Opale. Sanders et al. entdeckten in den 60er Jahren, dass
die Schmucksteine aus monodispersen SiO2-Kolloidkügelchen
mit Durchmessern von 150–400 nm bestehen, die
sich in einem Selbstorganisationsprozess zu kubisch dichtest
gepackten Kolloidkristallen formiert haben (Abbildung
1) [1]. Der schillernde Farbeindruck ist folglich im Gegensatz
zu Farbstoffen nicht auf die Absorption von Licht
zurückzuführen, sondern kommt durch konstruktive Interferenzen
von am Opal gebrochenen und an den einzelnen
Kugelschichten reflektiertem Licht zustande (Abbildung 2)
Das gleiche Verhalten, das man von Kristallgittern auf atomarer
Ebene mit Interferenzen von elektromagnetischer
Strahlung im Röntgenbereich kennt, beobachtet man hier
im Nanometer- und Submikrometerbereich an Kolloidkristallen
mit Interferenzerscheinungen im sichtbaren Wellenlängenbereich.
Die wahrgenommene Farbe hängt vom
Kugeldurchmesser, den Brechungsindices der Kugeln und
Hohlräume sowie dem Einfallswinkel des Lichts ab.
Opale: Halbleiter für Licht
Abstrakt betrachtet bestehen Opale aus periodisch angeordneten
Strukturen mit Gitterperioden im Bereich der Wel-
lenlänge des Farbeindrucks. Solche Materialien mit einer
periodisch modulierten Dielektrizitätskonstante bezeichnet
man im wissenschaftlichen Sprachgebrauch als photonische
Kristalle [2,3]. Ihre faszinierenden optischen Eigenschaften
lassen sich allgemein mit Hilfe der Elektrodynamik beschreiben
und anschaulich verstehen, wenn man sie als
photonisches Analogon zu elektronischen Halbleitern betrachtet:
Die periodische Änderung des Brechungsindexes
für Photonen in einem dielektrischen Medium entspricht
dem gitterperiodischen Potential der Atome für Elektronen
in einem Halbleiter.
Genau wie Halbleiter lassen sich auch photonische Kristalle
mit Bänderdiagrammen, in denen sich Bandlücken
ausbilden können, näher charakterisieren (Abbildung 3a).
Photonen mit Energien, die denen der Bandlücke entsprechen,
können sich nicht im Kristall ausbreiten. Licht bestimmter
Wellenlängen wird also vom photonischen Kristall
vollständig reflektiert – dies entspricht der sichtbaren
Farbe – bzw. im Kristall „gefangen“, wenn die Lichtquelle
im Inneren sitzt.
Man unterscheidet zwischen vollständigen Bandlücken
(„full band gaps“), wenn die Ausbreitung des Lichts in allen
Kristallrichtungen unterbunden wird und den „Stop-
Bands“, wenn dies nur entlang bestimmter Achsen im Kris-
38 | © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Chem. Unserer Zeit, 2007, 41, 38 – 44

tall stattfindet [4]. Während sich die „Stop-Bands“ in Analogie
zur Röntgenbeugung verstehen lassen, ist die vollständige
Bandlücke ein darüberhinausgehender Effekt, der
nur bei einem sehr großem Unterschied im Brechungsindex
zwischen den Gitterpunkten (den Kolloiden) und den
Lücken dazwischen auftritt. Dies führt zu Materialien, die
ein perfekter Spiegel für Licht sind. Hätte man z.B. eine Kiste
aus einem Material mit einer vollständigen Bandlücke für
sichtbares Licht, so könnte man sie an einem sonnigen Tag
im Freien mit Licht füllen, das Licht darin nach Schließen
des Deckels lagern und transportieren und es später in einem
dunklen Raum als Lichtblitz wieder herauslassen. Materialien
mit diesen Eigenschaften wurden bisher aber nur
für den nahen IR-Bereich oder bei noch größeren Wellenlängen
realisiert.
Solche periodisch strukturierten Materialien besitzen
somit die Fähigkeit, Licht zu lokalisieren, in Bahnen zu leiten,
seine Ausbreitung zu unterdrücken oder zu verlangsamen,
was sie z.B. zu vielversprechenden Kandidaten im Bereich
der Optoelektronik macht. Anwendungsmöglichkeiten
reichen von Wellenleitern, Resonatoren und Filtern bis
hin zur Vision vom „all-optical“ Computer bei dem die Informationsübertragung
über Lichtquanten erfolgt [5,6].
Abhängig von Parametern wie der Gitter- und Dielektrizitätskonstante
variiert aber auch die Lage der Bandlücke
und damit die wahrgenommene Farbe der photonischen
Kristalle, was sie als „intelligente“ Materialien in schaltbaren
Farbdisplays, Effektpigmenten oder optischen Sensoren
in Biologie und Medizin interessant macht [7–11].
OPALE
Synthetisch können photonische Kristalle auf zwei Wegen
hergestellt werden: Entweder durch präzises Einschreiben
einer periodischen Struktur in ein vorgegebenes
Material, was man als Top-down-Methode bezeichnet
[12,13], oder durch die Selbstorganisation von mikro- und
nanoskalierten Bausteinen einheitlicher Größe zu einer
wohldefinierten periodischen Anordnung. Letzteres ist ein
Bottom-up-Vorgehen, wie es uns die Natur an vielen Stellen,
u.a. bei der Opalbildung vormacht. Solche Selbstanordnungsprozesse
übertreffen ingenieurwissenschaftlich optimierte
Top-down-Einschreibeprozesse zwar nicht unbedingt
in der Präzision, jedoch erlauben sie auf faszinierend
einfache und elegante Weise ohne teures Gerät eine Synthese
der gewünschten Materialien in großem Maßstab. Darüber
hinaus geben sie dem Chemiker die Möglichkeit, Kreativität
walten zu lassen und die Nanobausteine nach Belieben
zu funktionalisieren und chemische Vielfalt zu integrieren.
Synthetische Opale und Anwendungen
Künstliche Opale sind die bekanntesten Vertreter von nach
Bottom-up-Verfahren synthetisierten photonischen Kristalle
[14,15]. Sie können wie im Fall des natürlichen Opals aus
SiO2-Kolloiden aufgebaut sein, aber auch aus anderen Metalloxid-
oder Polymerkugeln einheitlicher Größe bestehen.
Die Kugeln werden in einem Sol-Gel-Prozess bzw. durch
Emulsionspolymerisation synthetisiert, nach Bedarf funktionalisiert
und anschließend durch Selbstanordnung zu
Opalen kristallisiert [16–20]. Beim langsamen Abdampfen
| MATERIALIEN
Abb. 1 ganz links
(S. 38): Elektronenmikroskopaufnahme
und Fotos
natürlicher Opale
[Bilder von M. Chi
und R. G. Weber]
rechts: Elektronenmikroskopaufnahme
eines synthetischen
Opals aus
Polymerkugeln. Am
rechten Bildrand
sieht man synthetische
Opale mit
„Stop-Bands“ bei
Wellenlängen zwischen
400 und
650nm abhängig
von der eingestellten
Kugelgröße.
[Bilder von M. Egen
und F. Fleischhaker]
Chem. Unserer Zeit, 2007, 41, 38 – 44 www.chiuz.de © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
| 39

Das unter dem Einfallswinkel αα auf den
Kristall treffende Licht wird nach dem
Brechungsgesetz von Snellius zum Lot
hin gebrochen und an den Netzebenen
des Kristalls reflektiert. Eine konstruktive
Interferenz der an verschiedenen
Netzebenen reflektierten Strahlen tritt
nach dem Braggschen Gesetz nur auf,
wenn der Gangunterschied der Strahlen
ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge
ist. Kombination der beiden Gesetze
führt somit zur oben aufgeführten
modifizierten Bragg-Gleichung (unter
Vernachlässigung des geringfügigen
Gangunterschieds an der Phasengrenze
Luft / Kristall). λ ist die Wellenlänge des
Farbeindrucks, D der Netzebenabstand
und neff der effektive Brechungsindex
des Kolloidkristalls. Der effektive Brechungsindex
setzt sich zusammen aus
neff = (ffcc (nKugel) 2 + (1 – ffcc) (nLuft) 2 ) 1/2
mit ffcc dem Füllfaktor einer kubisch
dichtesten Packung.
|
ABB. 3 BÄNDERDIAGRAMM, CHIPMODELL, INVERTIERTER OPAL
a)
c)
Frequenz/ωa/2 πc
b) d)
|
ABB. 2 STRAHLENGANG DES LICHTS IN EINEM KOLLOIDKRISTALL
a) Typisches Bänderdiagramm eines photonischen Kristalls (hier speziell für einen invertierten Silizium Opal). Auf der Ordinate
ist die Frequenz bzw. Wellenlänge, auf der Abszisse die Ausbreitungsrichtung des Lichts (erste Brillouin-Zone; Bezeichnung analog
zur Röntgenbeugung) im photonischen Kristall aufgetragen. Die Bänder stellen die erlaubten Zustände für Photonen im
Kristall dar. Bei Auftreten einer vollständigen Bandlücke (hier bei einer Wellenlänge von ∼1.5 μm) wird die Ausbreitung von
Licht in diesem Wellenlängenbereich komplett unterbunden. (Abbildung mit Genehmigung von Lit. [21]) b) Elektronenmikroskopische
Aufnahme eines invertierten Opals aus Silizium mit einer vollständigen Bandlücke bei einer Wellenlänge von 1.5 μμm.
(Abbildung mit Genehmigung von Lit. [21]) c) „Photonic Micropolis“: Modell eines futuristischen optischen Chips aus verschiedenen
Typen von photonischen Kristallen (Abbildung mit Genehmigung von Lit. [5]) d) Auf einem strukturierten Substrat kristallisierter
Opal, wie er für Anwendungen in optischen Chips benötigt wird [25].
40 | © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.chiuz.de Chem. Unserer Zeit, 2007, 41, 38 – 44
Wellenlänge/μm
1,5 μm 5 μm

des Lösungsmittels werden die nanometergroßen Kugeln
immer dichter gepackt, bis sie spontan eine dichteste Kugelpackung
einnehmen. Den gleichen Versuch kann man –
im makroskopischen – mit kleinen Glaskugeln einheitlicher
Größe in einem Kasten durchführen, den man leicht schüttelt,
damit die Kugeln genug Bewegungsenergie haben, um
die günstigsten Plätze einzunehmen. Es ist daher möglich,
Opale aus den unterschiedlichsten Materialien oder Kompositen
herzustellen und ihnen eine Vielzahl von Eigenschaften
zu verleihen. Fluoreszierende, magnetische, photoaktive,
flüssigkristalline oder halbleitende Kolloide können
synthetisiert werden, um nur eine Auswahl zu nennen.
Lichtleiter und Katalysatoren
Die Opale selbst fungieren als dreidimensionale photonische
Kristalle, sie eignen sich aber auch als Template, um
ihre invertierten photonischen Strukturen zu erzeugen. Dies
geschieht durch Auffüllen der Hohlräume im Kolloidkristall
(Infiltration), Härten der Matrix und anschließendem Herauslösen
der Kolloide. Die entstehenden invertierten Opale
haben die Struktur eines „Schaumes“, d.h. sie bestehen
aus Luftblasen (anstelle der Kolloide), die von einer festen
Matrix (den ursprünglichen Zwischenräumen) umgeben
sind.
Inverse Opale können ebenfalls aus einer Vielzahl von
Materialien hergestellt werden – dazu gehören Metalloxide,
Halbleiter, Polymere oder organisch-anorganische Hybridmaterialien.
Voraussetzung ist natürlich eine geeignete Infiltrationsmethode,
Kompatibilität des Infiltrationsmaterials
mit dem Opaltemplat sowie ein Verfahren zur Templatentfernung,
das mit der Hohlraumfüllung verträglich ist. Invertierte
Opalstrukturen aus Silizium sind beispielsweise
begehrte Kandidaten in der Optoelektronik, da sie eine vollständige
photonische Bandlücke im Bereich der nahen IR-
Strahlung (1–2 μm / Wellenlänge der Telekommunikation:
1,5 µm) aufweisen und somit die Ausbreitung von elektromagnetischer
Strahlung mit Frequenzen der Bandlücke in
allen Raumrichtungen unterbinden können (Abbildung
3a,b). Die Herstellung erfolgt ausgehend von Disilan über
chemischen Transport (chemical vapor deposition, CVD)
von Silizium in die Hohlräume von SiO2-Opalen. Das Opal-
Templat wird anschließend mit verdünnter Flusssäure entfernt
[21].
Analog zur Dotierung elektronischer Halbleiter kann die
gezielte Einführung von Defekten in photonische Kristalle
zu Defektzuständen innerhalb der Bandlücke führen [22].
Diese gestatten nun die Ausbreitung von Licht solcher Frequenzen,
das sonst durch die Bandlücke geblockt wird.
Anschaulich betrachtet kann das Einführen von Defekten
auf zwei Wegen geschehen. Im ersten Fall werden „Tunnelröhren“
im photonischen Kristall erzeugt, mit Hilfe derer
die Lichtquanten auf definierten Bahnen durch die Opalstruktur
gelenkt werden können. Alternativ besteht die Möglichkeit,
isolierte Defekte zu integrieren, über die die Photonen
quasi die Bandlücke des photonischen Kristalls bei einer
bestimmten Wellenlänge „überspringen“ können. Wird
OPALE
chemische Funktionaltät in die Defektstrukturen eingebaut,
z.B. trans-cis-isomerisierbare oder redoxaktive Gruppen, hat
man darüber hinaus die Möglichkeit, die Wellenlänge, für die
die Defektzustände den Opal lichtdurchlässig machen, aktiv
über einen externen Stimulus zu variieren [23,24]. Baut man
| MATERIALIEN
Abb. 4 Opalkristallflocken in Klarlack dispergiert (links) und auf Stahlplatten mit
UV-gehärtetem Klarlack überzogen (rechts) [8].
Abb. 5 Display auf Opalbasis (schematisch). Das redox-aktive Polymergel, in dem
der Kolloidkristall eingebettet ist, kann reversibel Lösungsmittel aufnehmen und
die photonische Bandlücke zu längeren Wellenlängen verschieben. Oxidation und
Reduktion des Polyferrocenylsilan-Gels beeinflusst die Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel
und führt zu Expansion und Kontraktion der Gelmatrix. Der Farbeindruck
kann somit reversibel und kontinuierlich (abhängig von der Anzahl der oxidierten
Eisenzentren) zwischen zwei Wellenlängen geschaltet werden. (Abbildung
mit freundlicher Genehmigung von A. Arsenault)
Chem. Unserer Zeit, 2007, 41, 38 – 44 www.chiuz.de © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
| 41

aus solchen photonischen Bauelementen einen optischen
Chip auf [4], in dem Photonen anstelle von Elektronen als
Informationsträger fungieren, ist die Vision von dem mit
Lichtgeschwindigkeit arbeitenden Computer in greifbare
Nähe gerückt (Abbildung 3c) [6].
Das erfordert natürlich die gezielte Positionierung von
Opalen auf einem Substrat und ihre Integration mit Wellenleiterstrukturen.
Die in Abbildung 3d gezeigte selektive
Kristallisation von Opalen in Kanälen ist der Schlüsselschritt
dazu [25].
Ganz abgesehen von ihren faszinierenden optischen Eigenschaften,
lassen sich solche invertierten Opalstrukturen
auch der Klasse poröser Materialien zuordnen. Aufgrund
der einheitliche Größe der in wohldefinierter Ordnung an-
|
ABB. 6 SENSOREN UND BIOCHIPS
a) In eine funktionalisierte Hydrogelmatrix mit spezifischem molekularen Erkennungselement
eingebetteter Opal. Exposition mit dem entsprechenden Analyten
(Glucose, Schwermetallionen etc.) führt zu Expansion des Hydrogels and damit zu
einer Farbänderung des Opalkompositmaterials.
(Abbildung mit Genehmigung von Lit. [25])
b) Opal mit funktioneller DNA-Defektschicht, die es erlaubt, Chemie oder Biochemie,
die sich in dem Defekt abspielt, über Änderungen der Defektwellenlänge zu beobachten.
Dazu gehören DNA-Konformationsänderungen oder die Einlagerung von
Molekülen (hier die enatioselektive Einlagerung und Unterscheidung des Antitumormedikaments
Daunorubicin und des medizinisch unwirksamen Enantiomers) [11].
zutreffenden Poren sind in einem Sol-Gel-Prozess hergestellte
inverse Opale aus Materialien wie TiO2 oder Al2O3
z.B. auch vorzüglich als Katalysatoren in der heterogenen
Katalyse geeignet.
Effektpigmente und Displays
Kehrt man zu den Wurzeln der Faszination der Opale
zurück, waren es nicht die photonischen Eigenschaften,
sondern lediglich die kräftigen, schillernden Reflexionsfarben,
die sie als Edelsteine bekannt gemacht haben. Daraus
resultiert ein anderes Anwendungsgebiet der synthetischen
Opale, nämlich die Verwendung in Lacken und Displays.
Für die Lackindustrie ist das System „Opal im Klarlack“
erstrebenswert, da ein Lack ja nicht nur färben, sondern
auch den Untergrund versiegeln soll. Hierzu sind als Effektpigmente
in Lacken dispergierte Opalflocken sehr gut
geeignet (Abbildung 4). Sie erzeugen metallisch glänzende
Farben ohne den Zusatz von Farbstoffen, die obendrein mit
dem Betrachtungswinkel variieren. Um jedoch zu verhindern,
dass der in die Opalhohlräume eindringende Klarlack
den Brechungsindexkontrast aufhebt und damit die photonische
Bandstruktur samt Farbeindruck zu Nichte macht
bzw. die Kolloide löst oder die Kristallstruktur sprengt, ist
der Chemiker gefragt. Insbesondere niedrig brechende fluorierte
Polymethacrylate als Kugelmaterial gewährleisten
einen genügend hohen Brechungsindexkontrast der in Lack
dispergierten Opalflocken. Für die intra- und interpartikuläre
Vernetzung der Kolloidkugeln können geeignete bioder
multifunktionale Vernetzermoleküle verwendet werden
[8].
Darüber hinaus lässt sich die starre Opalstruktur durch
den Einbau von chemischen Funktionalitäten in intelligente,
schaltbare Materialien verwandeln. In allen bisher aufgeführten
Beispielen und Anwendungen war die Lage der
photonischen Bandlücke und damit der Farbeindruck bei einem
festen Betrachtungswinkel zwar über die Wahl der Kolloidkugelgröße
(Gittervektor) und der verwendeten Materialien
(Brechungsindexkontrast) passiv veränderbar, jedoch
im fertigen Opal rigide und nicht mehr variabel. Das aktive
Schalten der Bandlücke durch externe Erreger eröffnet jedoch
ganz neue Dimensionen, wie z.B. den Einsatz von
Opalen in Displays.
Solche polychromen, schaltbaren Opalstrukturen lassen
sich beispielsweise erzeugen, indem man einen SiO2-Kolloidkristall
in eine Hydrogelmatrix einbettet. Dadurch sind
die Kolloidkügelchen zwar immer noch periodisch angeordnet,
aber mit variablem Gittervektor im Hydrogel flexibel
gelagert. Expansion und Kompression der Gelmatrix
führt folglich zu einer Verschiebung der Bandlücke und damit
der Farbe des eingebetteten Opals. Besteht die Matrix
nun z.B. aus einem redox-aktiven Polymergel, etwa einem
Polyferrocenylsilan-Netzwerk, kann man bei geeigneter
Wahl der einzelnen Parameter die auf die Bandlücke zurückgehende
wahrgenommene Farbe elektrochemisch durch
Anlegen einer äußeren Spannung komplett und reversibel
durch das gesamte sichtbare Wellenlängenspektrum durch-
42 | © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.chiuz.de Chem. Unserer Zeit, 2007, 41, 38 – 44

schalten (Abbildung 5) [7]. Man hat also die Grundlage für
ein Display auf Opalbasis.
Sensoren und Biochips
Auf der einen Seite kann so die energetische Lage der Bandlücke
durch externe Stimuli verändert werden, auf der anderen
Seite lassen sich derartige Materialien entsprechend
funktionalisiert aber auch als optische Sensoren nutzen.
So wurde z.B. ein für die Diagnostik von Diabetis mellitus
interessanter Glucosesensor basierend auf Opalen in
einer Hydrogelmatrix entwickelt (Abbildung 6a) [26]. In
diesem Fall ist die Hydrogelmatrix mit Borsäureeinheiten
funktionalisiert. Diese vermögen Glucosemoleküle zu komplexieren,
was zu einer Expansion des Hydrogels und damit
zu einer Farbänderung des Opalkompositmaterials
führt. Abhängig von der wahrgenommenen Farbe kann nun
auf die Glucosekonzentration geschlossen werden, denn je
mehr Borsäure-Zucker-Komplexe in der Hydrogelmatrix gebildet
werden, desto größer ist deren Volumenänderung.
Analog funktioniert ein Opalsensor für Schwermetallionen
wie Pb 2+ [10]. Hierfür ist das den Opal umgebende
Hydrogel mit Kronenethern entsprechender Größe ausgestattet,
die Kationen selektiv komplexieren. Die Reflexionsfarbe
ist auch hier ein Indikator für die Schwermetallionenkonzentration.
Eine andere Möglichkeit, Opale als Sensoren oder zum
optischen Monitoring von chemischen oder biochemischen
Prozessen zu verwenden, ist die folgende: Es wird nicht eine
Änderung der photonischen Bandlücke selbst z.B. durch
„Verrücken“ der Kugeln angestrebt, sondern eine funktionelle
Defektschicht in den Kolloidkristall eingebaut, die es
erlaubt, Chemie, die sich in dem Defekt abspielt, über das
Wandern der Defektwellenlänge zu beobachten. Dazu
gehören chemische Reaktionen, Konformations- oder Konfigurationsänderungen
oder die Einlagerung von Molekülen
(Abbildung 6b). DNA, Proteine und andere Biomoleküle lassen
sich auf diese Weise in Opale integrieren [11], die sich
somit in potentielle Biochips verwandeln, mit denen man
die Toxizität von Medikamenten testen, DNA-Mutationen
erkennen oder die Wirkungsweise von Enzymen aufklären
kann.
Zusammenfassung
Opale sind selbstorganisierte, kubisch dichtest gepackte Kolloidkristalle
mit Kolloid-Durchmessern im Nanometer- und
Submikrometerbereich. Aufgrund der periodisch modulierten
Dielektrizitätskonstante bilden sich photonische Bandlücken
aus, so dass die Ausbreitung von Licht mit Wellenlängen in
der Größenordnung der Gitterkonstanten unterdrückt wird.
Dies erklärt u.a. den brillianten Farbeindruck. Opale können
synthetisch aus Polymer- oder Metalloxidkolloiden in einem
Bottom-up-Prozess hergestellt und auf vielfältige Weise chemisch
funktionalisiert, strukturiert oder als Template für ihre
invertierten Strukturen verwendet werden. Anwendungsgebiete
reichen von optischen Chips, Farbdisplays und Effektpigmenten
bis hin zu Biosensoren.
OPALE
Summary
Opals are self-assembled fcc-packed colloidal crystals with
sphere diameters in the nanometer and submicrometer region.
The periodic dielectric structure leads to the opening of
photonic band gaps that suppress the propagation of light
with wavelengths at the lattice constant scale. This explains
e.g. the opals’ brilliant color impression. Synthetic opals can
be prepared from polymer or metaloxide spheres in a bottomup
approach that allows for chemical functionalization and
processing. Also, they can be used as templates to fabricate
inverted structures. Fields of application reach from optical
chips, color displays and effect pigments to biosensors.
Literatur
[1] J. V. Sanders, Nature 1964, 204, 1151.
[2] S. John, Phys. Rev. Lett. 1987, 58, 2486.
[3] E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 1987, 58, 2059.
[4] J. D. Joannopoulos, R. D, Meade und J. N. Winn, Photonic Crystals,
Molding the Flow of Light; Princeton University Press, Singapore
1997.
[5] J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneuve und S. H. Fan, Nature 1997,
387, 830.
[6] A. Arsenault, S. Fournier-Bidoz, B. Hatton, H. Miguez, N. Tetreault,
E. Vekris, S. Wong, S. M. Yang, V. Kitaev und G. A. Ozin, J. Mater.
Chem, 2004, 14, 781.
[7] A. C. Arsenault, H. Miguez, V. Kitaev, G. A. Ozin und I. Manners Adv.
Mater. 2003, 15, 503.
[8] M. Egen, L. Braun, R. Zentel, K. Tännert, P. Frese, O. Reis und
M. Wulf, Macro. Mat. Eng. 2004, 298, 158.
[9] D. Allard, B. Lange, F. Fleischhaker, R. Zentel und M. Wulf, Soft
Mater. 2006.
[10] J. H. Holtz und S. A. Asher, Nature 1997, 389, 829.
[11] F. Fleischhaker, A. Arsenault, F. Peiris, V. Kitaev, I Manners, R. Zentel
und G. A. Ozin, Adv. Mater. 2006, 18, 2387.
[12] S. Y. Lin, J. G. Fleming, D. L. Hetherighton, B. K. Smith, R. Biswas,
K. M. Ho, M. M. Sigalas, W. Zubrzycki, S. R. Kurtz und J. Bur, Nature
1998, 394, 251.
[13] S. Noda, K. Tomoka, N. Yamamoto und A. Chutinan, Science 2000,
289, 604.
[14] K. Busch und S. John, Phys. Rev. E 1998, 58, 3896.
[15] Y. N. Xia, B. Gates, Y. D. Yin und Y. Lu, Adv. Mater. 2000, 12, 693.
[16] W. Stöber, A. Fink und E. J. Bohn, J. Colloid Interface Sci. 1968,
26, 62.
[17] P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang und V. L. Colvin, Chem. Mater.
1999, 11, 2132.
[18] M. Müller, R. Zentel, T. Maka, S. G. Romanov und C. M. Sotomayor
Torres, Chem. Mater. 2000, 12, 2508.
[19] M. Egen und R. Zentel, Macromol. Chem. Phys. 2004, 205, 1479.
[20] C. E. Reese, C. D. Guerrero, J. M. Weissmann, K. Lee und S. A. Asher,
J. Colloid. Int. Sc. 2000, 232, 76.
[21] A. Blanco, E. Chomski, S. Grabtschak, M. Ibisate, S. John, S. W.
Leonhard, C. Lopez, F. Meseguer, H. Miguez, J. P. Mondia, G. A. Ozin,
O. Toader und H. M. van Driel, Nature 2000, 405, 437.
[22] E. Yablonovitch, T. J. Gmitter, R. D. Meade, A. M. Rappe, K. D.
Brommer und J. D. Joannopoulos, Phys. Rev. Lett. 1991, 67, 3380.
[23] F. Fleischhaker, A. C. Arsenault; V. Kitaev, F. C. Peiris, G. v. Freymann,
I. Manners, R. Zentel und G. A. Ozin, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127,
9318.
[24] F. Fleischhaker, A. C. Arsenault, Z. Wang, V. Kitaev, F. C. Peiris,
G. v. Freymann, I. Manners, R. Zentel und G. A. Ozin, Adv. Mater.
2005, 17, 2455.
[25] J. Ye, R. Zentel, S. Arpianen, J. Ahopelto, F. Jonsson, S. Romanov und
C.M. Sotomayor Torres, Langmuir 2006, 22, 7378.
[26] S. A. Asher, V. L. Alexeev, A. V. Goponenko, A. C. Sharma, I. K.
Lednev, C. S. Wilcox und D. N. Finegold, J. Am. Chem. Soc. 2003,
125, 3322.
| MATERIALIEN
Chem. Unserer Zeit, 2007, 41, 38 – 44 www.chiuz.de © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
| 43

Die Autoren Friederike Fleischhaker, geb. 1980, studierte Chemie
an der Johannes Gutenberg Universität in Mainz und
promoviert seit Herbst 2004 bei Prof. R. Zentel und
Prof. G. A. Ozin an der Universität Mainz und der
University of Toronto in Kanada. Sie erhielt während
des Studiums Stipendien der Studienstiftung des
deutschen Volkes und des DAAD, zur Zeit wird sie
mit einem Doktorandenstipendium des Fonds der
chem. Industrie unterstützt. Im Rahmen ihrer
Doktorarbeit entwickelt sie schaltbare Defektstrukturen
in photonischen Kristallen.
Prof. Rudolf Zentel studierte Chemie an der
Universität Mainz, wo er 1983 mit einer Arbeit über
flüssigkristalline Polymere bei den Professoren
Ringsdorf und Strobl promovierte. Auf Post-Doc-Zeit
(Freiburg), Habilitation (Mainz 1989) und verschiedene
Forschungsaufenthalte (IBM-Research Center
in San Jose, USA und Universität Düsseldorf) folgte
1992 der Ruf auf eine C3-Professur in Mainz. Über
Wuppertal (C4-Professur von 1996–2000) ging es
dann im Jahre 2000 nach Mainz zurück. Das
zentrale Thema seiner Forschung sind „Selbstorganisierende
Systeme“ und das Wechselspiel von „Licht
und Materie“.
Korrespondenzadresse:
Prof. Dr. Ruldolf Zentel,
Institut für Organische Chemie,
Universität Mainz,
Duesbergwerg 10 – 14,
55099 Mainz,
E-Mail: zentel@uni-mainz.de
44 | © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.chiuz.de Chem. Unserer Zeit, 2007, 41, 38 – 44