Kieler Forschungsteam kann Metalle mit nahezu allen Oberflächen verbinden

Wie Metalle genutzt werden, hängt besonders von den Eigenschaften ihrer Oberflächen ab. Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat herausgefunden, wie sich diese Eigenschaften verändern lassen, ohne die Stabilität der Metalle anzugreifen oder die Metalleigenschaften an sich zu verändern.

Die weltweit neuartige Methode basiert auf einem elektrochemischen Ätzverfahren, bei dem die oberste Schicht eines Metalls im Mikrobereich kontrolliert aufgeraut wird. Metalle wie Aluminium, Titan oder Zink lassen sich dank des nanoscale-sculpturing-Verfahrens mit nahezu allen Materialien dauerhaft verbinden, werden wasserabweisend oder erhöhen ihre Biokompatibilität. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Superverbindungen sind extrem vielfältig und reichen von der Metallverarbeitung in der Industrie bis zu verträglicheren Implantaten in der Medizintechnik. Die Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten Zeitschrift Nanoscale Horizons der Royal Society of Chemistry veröffentlicht.

Eine Technologie, die bislang nur von Halbleitern bekannt ist, wurde auf Metalle angewendet. Dieses Verfahren so zu nutzen, ist völlig neu, so Dr. Jürgen Carstensen, Mitautor der Publikation. Bei dem Verfahren wird die Oberfläche eines Metalls in eine Halbleiterschicht umgewandelt, die chemisch geätzt und gezielt verändert werden kann. Nach Professor Rainer Adelung, der am Institut für Materialwissenschaft die Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien leitet, wurde damit ein Verfahren entwickelt, das Metalle im Gegensatz zu anderen Ätzverfahren nicht schädigt und ihre Stabilität nicht angreift. So können Metalle dauerhaft verbunden werden, die bisher nicht direkt miteinander verbunden werden konnten, zum Beispiel Kupfer und Aluminium.

Wie funktioniert das nanoscale-sculpturing-Verfahren genau?

Die Oberfläche von Metallen besteht aus vielen verschiedenen Kristallen und Körnern, von denen einige chemisch weniger stabil sind als andere. Diese instabilen Partikel können mit dem gezielten Ätzverfahren aus der Oberfläche des Metalls herausgelöst werden. Die oberste Schicht wird durch das Ätzen aufgeraut, es entsteht eine dreidimensionale Oberflächenstruktur. Die Eigenschaften der Oberfläche verändern sich, nicht aber die des gesamten Metalls. Denn geätzt wird nur 10 bis 20 Mikrometer tief – eine Schicht, so dünn wie ein Viertel eines Haardurchmessers. Das Kieler Forschungsteam nennt das Verfahren daher nanoscale-sculpturing.

Das gezielte Ätzverfahren nanoscale-sculpturing raut die obere Metallschicht (hier Aluminium, 20 µm = 0,02 mm), so auf, dass eine 3D-Struktur mit winzigen Haken entsteht. Eine so behandelte Oberfläche kann sich wie dreidimensionale Puzzleteile mit den Oberflächen nahezu aller Materialien unlösbar verhaken. Selbst Verbindungen von Aluminium und Kupfer sind so möglich / Bildquelle: Melike Baytekin-Gerngroß

Die Veränderung durch das Ätzen ist mit bloßem Auge zu sehen: Die Oberfläche wird matt. Behandelt man ein Metall zum Beispiel mit Schmirgelpapier, erhalten man zwar auch eine sichtbare Veränderung, aber sie ist nur zweidimensional und ändert noch nicht die Eigenschaft der Oberfläche. Durch das Ätzverfahren entsteht dagegen eine 3D-Oberfläche mit kleinen Haken. Wird jetzt ein verbindendes Polymer zwischen zwei bearbeiteten Metallen aufgebracht, verhaken sich die Oberflächen der Metalle wie ein dreidimensionales Puzzleteil in alle Richtungen miteinander. Diese 3D-Puzzleverbindungen sind praktisch nicht zu lösen. In den Versuchen riss eher das Metall oder das Polymer, aber nicht die Verbindungsstelle, so Melike Baytekin-Gerngroß, Erstautorin der Veröffentlichung. 

Die aufgeraute Oberflächenstruktur von Zink in 10.000-facher Vergrößerung (2 µm = 0,002 mm) / Bildquelle: Melike Baytekin-Gerngroß

Oberflächen mit multifunktionalen Eigenschaften

Auch eine dünne Fettschicht, wie sie etwa ein Fingerabdruck auf einer Oberfläche hinterlässt, kann der Verbindung nichts anhaben. „In Tests haben die Forscher sogar Getriebeöl auf Metalloberflächen gestrichen. Die Verbindung hielt trotzdem. Eine aufwendige Reinigung von Oberflächen, zum Beispiel die Vorbehandlung von Schiffswänden, bevor sie mit Farbe gestrichen werden, könnte damit entfallen.

Zusätzlich setzte die Forschungsgruppe die Puzzle-Verbindungen großer Hitze und Feuchtigkeit aus, um Wetterverhältnisse zu simulieren. Auch das beeinträchtigte ihre Haltbarkeit nicht. Nach Carstensen sind die Verbindungen extrem robust und witterungsbeständig. Dass die Oberflächen von Metallen durch die Ätzung wasserabweisend werden, ist ein praktischer Nebeneffekt des Verfahrens. Die entstandene Hakenstruktur wirkt wie ein eng ineinander verkeiltes 3D-Labyrinth ohne Löcher, in die Wasser eindringen könnte. Die Metalle besitzen praktisch einen eingebauten Korrosionsschutz. Dieses Verhalten kennt man von Metallen wie Aluminium eigentlich nicht. Ein Lotuseffekt bei reinen Metallen, also ohne Auftragen einer wasserabweisenden Extra-Schicht – das ist neu.

Unendliche Einsatzmöglichkeiten

Die denkbaren Anwendungen sind unglaublich breit gefächert, von metallverarbeitender Industrie wie Schiff- oder Luftfahrt über Drucktechnik und Brandschutz bis zu medizinischen Anwendungen. Denn mit dem nanoscale-sculpturing-Verfahren werde nicht nur eine 3D-Oberflächenstruktur gewonnen, die sich ganz ohne Chemie rein physikalisch verbinde. Durch das gezielte Ätzen können auch schädliche Partikel aus der Oberfläche entfernt werden, was insbesondere für die Medizintechnik von großem Interesse sei. Für medizinische Implantate wird häufig Titan verwendet. Zur mechanischen Festigung werden ihm kleinste Mengen Aluminium zugesetzt. Das Aluminium kann jedoch unerwünschte Nebenwirkungen im Körper auslösen. Mit dem Verfahren können Aluminiumpartikel aus der obersten Schicht entfernt werden und man erhält so eine deutlich reinere Oberfläche, die für den menschlichen Körper viel verträglicher ist. Weil auf der obersten Schicht nur im Mikrobereich gearbeitet wird, wird die Festigkeit des gesamten Implantats dadurch nicht eingeschränkt.

Bereits vier Patente haben die Kieler Forschenden auf das Verfahrensprinzip angemeldet. Firmen zeigen bereits großes Interesse an den Anwendungsmöglichkeiten. Auch Fachkollegen aus der Materialwissenschaft haben auf die Erkenntnisse mit Begeisterung reagiert.

Originalpublikation

M. Baytekin?Gerngross, M.D. Gerngross, J. Carstensen and R. Adelung: Making metal surfaces strong, resistant, and multifunctional by nanoscale?sculpturing. Nanoscale Horizon. DOI: 10.1039/C6NH00140H

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