Moleküle als „Unter-Wasser-Klebstoff“ werden durch Licht ein- und ausgeschaltet

Wie man die Reibung zwischen zwei Oberflächen durch Licht regulieren kann, haben Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Neue Materialien (INM), der Universität des Saarlandes und der Universität Münster herausgefunden: Als Klebstoff, der unter Wasser funktioniert, nutzten sie spezielle Gastmoleküle, die durch abwechselnde Bestrahlung mit sichtbarem und ultraviolettem Licht eine Verbindung zwischen den Oberflächen aufbauen und wieder lösen. Die gemeinsame Arbeit, die von der Volkswagen Stiftung gefördert wird, wurde nun in „Chemical Communications“ publiziert.

Schiebt man eine Tasse auf dem Tisch hin und her, so entsteht Reibung zwischen den beiden Oberflächen, hebt man die Tasse hoch, müssen Adhäsionskräfte überwunden werden. Dass sich sowohl Reibung als auch Adhäsion durch bestimmte Moleküle erzeugen und per Lichtsignal steuern lassen, zeigten Forscher um die Saarbrücker Professoren Roland Bennewitz vom INM und Gerhard Wenz von der Saar-Uni gemeinsam mit Kollegen der Universität Münster um Bart Jan Ravoo. Sie arbeiteten jedoch nicht mit Tasse und Tisch, sondern experimentierten unter Wasser mit der (ein millionstel Millimeter feinen) Messspitze eines Rasterkraftmikroskops und einer Glasoberfläche.

Beide Oberflächen wurden mit sogenannten Wirtsmolekülen ausgestattet – großen Molekülen, die eine Art Hohlraum bilden. Ins Wasser werden nun Gastmoleküle gegeben: Sie haben eine längliche Form und tragen an beiden Enden eine molekulare Gruppe, die in den Hohlraum der Wirtsmoleküle passt. „Somit kann ein Gastmolekül zwei gegenüberliegende Wirtsmoleküle aneinander binden. Wenn sehr viele Verbindungen zwischen ‚Wirten‘ und ‚Gästen‘ aufgebaut werden, dann entstehen Adhäsion und Reibung, Messspitze und Glasoberfläche kleben aneinander“, erläutert der Uni-Professor für Organische Makromolekulare Chemie, Gerhard Wenz, der mit seinem Team die Gast-Wirt-Verbindungen erforscht hat.

Den „Trick mit dem Licht“ erklärt INM-Professor Roland Bennewitz so: „Die länglichen Gastmoleküle wurden von den Kollegen aus Münster als spezielle lichtempfindliche Moleküle synthetisiert: Sie beinhalten eine molekulare Gruppe, die bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht die Molekül-Enden abknickt. Diese passen dann nicht mehr in die Wirtsmoleküle, und die Verbindung zwischen den Oberflächen wird gelöst, die Reibung nimmt ab.“ Werden die Moleküle dagegen mit sichtbarem Licht bestrahlt, richten sie sich wieder gerade, und die „Gast-Wirt-Verbindungen“ entstehen erneut. „Durch abwechselnde Bestrahlung mit ultraviolettem und sichtbarem Licht kann man die Reibung verringern beziehungsweise verstärken“, sagt Bennewitz, unter dessen Leitung die mikroskopischen Prozesse gemessen wurden.

Die Arbeiten, die bei der aktuellen Studie im Nanometer-Maßstab durchgeführt wurden, stellen die Grundlage für ein weiterführendes Projekt dar, bei dem es um Anwendungen in makroskopischen Systemen gehen soll.

Die Studie wurde in „Chemical Communications“ publiziert:
Johanna Blass, Bianca L. Bozna, Marcel Albrecht, Jennifer A. Krings, Bart Jan Ravoo, Gerhard Wenz and Roland Bennewitz: Switching adhesion and friction by light using photosensitive guest-host interactions. DOI: 10.1039/C4CC09204J

Kontakt:
Johanna Blass (INM)
Tel.: 0681 9300-243
E-Mai: johanna.blass@inm-gmbh.de

Prof. Dr. Gerhard Wenz (Universität des Saarlandes)
Tel.: 0681 302-3449
E-Mail: g.wenz@mx.uni-saarland.de

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