Viele Autofahrer träumen davon: Kein Wagenwaschen mehr, weil das Wasser an der Karosserie abperlt und wie von Geisterhand geführt den Schmutz mitnimmt. Dieses Lotuseffekt genannte Phänomen existiert in der Natur bei der Lotuspflanze. Verantwortlich dafür, dass die Schmutzteilchen nicht mehr an der Oberfläche haften, ist ihre komplexe nanostrukturierte Oberfläche.
Strukturen im Nanobereich – ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter, also dem hunderttausendsten Teil eines menschlichen Haares – sind nur sehr schwer technologisch herzustellen. Mit herkömmlichen fotolithografischen Methoden lassen sich bisher zum Beispiel Nanostrukturen bis in die Größenordnung von 100 nm herstellen, allerdings zu hohen Preisen. Daher ist es sinnvoll, die natürlichen Vorbilder – etwa die molekulare Selbstorganisation – technologisch nachzubilden. Materialwissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun gelungen, solche Nanostrukturen auf der Oberfläche von ultra-dünnen Filmen zu erzeugen und mittels verschiedener Messtechniken nachzuweisen. Ihre Ergebnisse haben die Jenaer Forscher um Prof. Dr. Klaus D. Jandt in der angesehenen amerikanischen Fachzeitschrift Macromolecules veröffentlicht.
Kleine Proben von Copolymer-Dünnschichtfilmen, auf denen Materialwissenschaftler der Uni Jena nanostrukturierte Oberflächen erzeugt haben. Im Hintergrund ist eine mikroskopische Aufnahme der Nanostrukturen zu sehen / Bild: Jan-Peter Kasper/FSU
Materialien, die der Natur ähnliche molekulare Selbstorganisationseigenschaften aufweisen, sind unter anderem die Block-Copolymere. Block-Copolymere bestehen aus zwei oder mehr unterschiedlichen Polymerketten, die Blöcke genannt werden und miteinander verbunden sind. Die Kette eines Block-Copolymers kann man sich vereinfacht wie einen Spaghetti vorstellen, der zur Hälfte rot und zur anderen Hälfte blau ist, erläutert Dipl.-Ing. Robert Schulze von der Friedrich-Schiller-Universität. Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften versuchen die beiden Blöcke, sich gegenseitig so wenig wie möglich zu berühren. Stellt man sich nun einen ganzen Teller dieser rot-blauen Spaghetti vor, so würden sich die roten Hälften nur mit anderen roten Hälften umgeben und die dazugehörigen blauen Hälften nur mit anderen blauen Hälften. Derartige Prozesse werden als Phasenseparation bezeichnet. Da dieser Prozess bei Block-Copolymeren allerdings auf molekularer Ebene stattfindet, wird dies wissenschaftlich als Mikrophasenseparation bezeichnet, bei der im Ergebnis wie von Geisterhand selbstorganisierte Nanostrukturen entstehen. Die vielfältigen Formen und die Größe dieser Nanostrukturen hängen direkt von den Längen der einzelnen Blöcke ab.
Die Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena nutzen diese Block-Copolymere als Beschichtungen, um selbstorganisierte nanostrukturierte Oberflächen zu erzeugen und zu verstehen. Dabei werden Block-Copolymere mit einer sehr kurzen Kettenlänge verwendet, bei denen beide Blöcke kristallisieren können. Eine Besonderheit dieser kristallisierbaren Block-Copolymere besteht darin, dass die Kristallisation die Mikrophasenseparation überschreiben kann, wodurch neuartige, bisher unbekannte Nanostrukturen entstehen können. Die Größe dieser Nanostrukturen hänge direkt von der ausgestreckten oder ganzzahlig gefalteten Kettenlänge ab. Dem Team um Prof. Dr. Klaus D. Jandt ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf der Oberfläche von ultra-dünnen Filmen zu erzeugen und mit oberflächensensitiven Messtechniken nachzuweisen.
Einzigartig an diesen Dünnfilmen ist, dass aufgrund des verwendeten Block-Copolymers asymmetrisch-lamellare Nanostrukturen auf den Dünnfilmoberflächen erzeugt werden konnten, was mit herkömmlichen nicht-kristallisierbaren Block-Copolymeren unmöglich ist. Darüber hinaus habe das untersuchte Block-Copolymer ein bisher unbekanntes Filmbildungsverhalten auf chemisch unterschiedlichen Oberflächen gezeigt, was unter anderem durch die kurze Kettenlänge ausgelöst wird. In Zukunft soll dies unter anderem als Modellsystem zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Proteinen und nanostrukturierten Oberflächen genutzt werden. Ein Ziel ist dabei, die Proteinanlagerung gezielt zu beeinflussen oder gar ganz zu unterbinden. Derartige Beschichtungen sind insbesondere für medizintechnische Anwendungen oder für Strukturen in Polymersolarzellen zur Erzeugung regenerativer Energien von bedeutendem Interesse.
Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie der Friedrich-Schiller-Universität
Jena, Lehrstuhl für Materialwissenschaft,
Löbdergraben 32,
D-07743 Jena, k.jandt@uni-jena.de
