Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was passiert zwischen Tinte und Papier?

16.12.2010
TU-Forscher untersuchen nanostrukturierte Oberflächen mit Rasterkraftmikroskopen

Um herauszufinden, wie Flüssigkeiten sich im Kontakt mit nanostrukturierten Oberflächen verhalten, haben die Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Center of Smart Interfaces“ (CSI) der TU Darmstadt ein Nanoanalytiklabor gegründet.


Polymer-Silica-Teilchen unter einem Rasterelektronenmikroskop: Ihre mikro- und nanometergroßen Strukturen beeinflussen sowohl den Kontaktwinkel ruhender wie das Strömungsverhalten sich ausbreitender Tropfen und ermöglichen damit einen künstlichen Lotus-Effekt.
Foto: Doris Vollmer

Wasser und Schmutz abweisende Fenster oder Autolacke, hocheffiziente Solarzellen und Papier, auf das sich gestochen scharfe Bilder und Texte drucken lassen – eines haben diese auf den ersten Blick sehr unterschiedlichen Entwicklungsziele gemeinsam: Sie funktionieren nur, wenn ihre Oberflächen komplexe Strukturen aufweisen, deren Details nur wenige Nanometer messen, also etwa hunderttausendmal kleiner sind als die Dicke eines menschlichen Haares.

Um herauszufinden, wie Flüssigkeiten sich im Kontakt mit solchen nanostrukturierten Oberflächen verhalten, haben die Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Center of Smart Interfaces“ (CSI) der TU Darmstadt ein Nanoanalytiklabor gegründet. Fünf jeweils mehrere hunderttausend Euro teure Rasterkraftmikroskope ermöglichen es, einzelne Moleküle sichtbar zu machen, indem sie die Oberfläche mit einer Nadel abtasten, die an ihrer Spitze nur wenige Nanometer dick ist. Daher können die Forscher bis ins kleinste Detail untersuchen, was zwischen den Oberflächen und den Flüssigkeiten passiert, wenn sie in Kontakt miteinander kommen.

Rasterkraftmikroskope mit unterschiedlichen Aufgaben

Die Forschungsziele sind gleichzeitig anspruchsvoll und für die Anwendung interessant. Zum Beispiel wollen die Forscher herausfinden, was zwischen einem Tintentropfen und einer Papieroberfläche passiert. Relevant ist diese Frage für künftige Tintenstrahldrucker, die besonders kleine Tintentröpfchen auf das Papier bringen sollen, um hochauflösende Drucke zu ermöglichen. Das Problem dabei: auf herkömmlichem Papier zerfließen die Tropfen. Auf stark wasserabweisendem Papier tun sie das zwar nicht; stattdessen perlen sie von dort aber wieder ab. Die Darmstädter CSI-Forscher wollen verstehen, wie dieser Effekt von der Porenstruktur des Papiers abhängt.

Das Nanoanalytiklabor verfügt über fünf unterschiedliche Rasterkraftmikroskope  eine Konzentration an komplementären Geräten, wie sie an kaum einer deutschen Universität vorhanden ist. „Jedes der fünf Mikroskope hat eine besondere Stärke“, sagt Privatdozent Dr. Elmar Bonaccurso, Leiter der Nachwuchsgruppe „Experimental Interface Physics“ am CSI, der im Juli 2010 nach Darmstadt berufen worden ist und zuvor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz geforscht hat. Eines der Geräte eigne sich, um die Elastizität einer Oberfläche zu messen, indem es seine Spitze in die Oberfläche hineindrückt. Die Stärke eines anderen Mikroskops bestehe darin, die elektrischen Eigenschaften einer Oberfläche, also etwa die elektrische Leitfähigkeit, nanometergenau zu bestimmen. Ein weiteres Gerät sei sehr schnell und könne ein Bild binnen weniger Sekunden aufnehmen, sodass es im Prinzip möglich sei, die Benetzungsphänomene von kleinen Flüssigkeitsmengen auf der Oberfläche zu beobachten.

Forschung kann technische und biologische Fragen beantworten

„Wir wollen ganz allgemein verstehen, wie Oberflächen-Effekte – z.B. der Selbstreinigungseffekt – mit der Nanostruktur der Oberfläche in Beziehung stehen“, beschreibt Bonaccurso ein Ziel seiner Forschung. Ein detailliertes Verständnis fehle bislang bei den meisten Anwendungen. Es sei aber unverzichtbar, um gezielt nanostrukturierte Oberflächen entwerfen zu können, die bestimmte Effekte aufweisen. Bislang sei es in der Industrie üblich, Oberflächeneffekte durch das Ausprobieren verschiedener Strukturen zu erreichen. „In Zukunft soll es möglich sein, neue Oberflächen direkt durch Computersimulation zu entwickeln“, sagt der Wissenschaftler. Perspektivisch könnte z.B. simuliert werden, wie die Papieroberfläche beschaffen sein muss, damit kleine Tintentröpfchen nicht abperlen.

Aber nicht nur technische, sondern auch biologische Systeme wollen die CSI-Forscher in ihrem neuen Nanoanalytiklabor untersuchen. Prof. Dr. Robert Stark, der im April von der Ludwig-Maximilians-Universität München an das CSI in Darmstadt wechselte, untersucht beispielsweise Blutplättchen mit den Rasterkraftmikroskopen. „Dieser intelligente Klebstoff sorgt dafür, dass kleinste Verletzungen der Blutgefäße sofort verheilen“, sagt Stark. Allerdings setzen sich die Plättchen manchmal haufenweise an kleinen entzündlichen Stellen im Blutkreislauf ab und bilden einen so genannten Thrombus. Von diesem lösen sich manchmal ganze Klumpen von Blutplättchen und verstopfen kleine Gefäße des Herzens oder des Gehirns. Die Folgen können Hirnschlag oder Herzinfarkt sein. „Wir möchten herausfinden, wie die Blutplättchen auf biochemische und mechanische Reize im Blutkreislauf reagieren, um zu verstehen, warum sie bei bestimmten Strömungsverhältnissen in der Blutbahn Ablagerungen bilden, die das Gefäß verschließen können“, beschreibt Stark ein Ziel seiner Forschung.

Auch die Halbleiterindustrie interessiere sich für die Möglichkeiten des Darmstädter Nanoanalytiklabors, sagt Stark. Die Halbleiterstrukturen der modernen Elektronik werden immer kleiner, längst haben sie den Nanomaßstab erreicht. Mit den Rasterkraftmikroskopen lässt sich untersuchen, wie leicht diese filigranen Strukturen brechen. Diese Erkenntnisse könne die Industrie nutzen, um die Herstellungs- und Reinigungsprozesse so auszulegen, dass möglichst keine Schäden auftreten, erklärt Stark.

CSI investiert mehr als 1 Million Euro in Nanoanalytiklabor

Momentan befinden sich die Rasterkraftmikroskope noch in zwei getrennten Labors. Ab 2012 werden sie in einem Forschungsgebäude zusammengeführt, das die TU Darmstadt derzeit für das CSI erbaut. Dort werden die Mikroskope durch weitere chemische, physikalische und biochemische Labore sinnvoll ergänzt. Bis 2012 werden mithilfe des Exzellenzclusters, der Professur Starks und Bonaccursos Nachwuchsgruppe mehr als 1 Million Euro in den Aufbau des CSI-Nanoanalytiklabors investiert. „Das Labor soll allen interessierten Mitgliedern der TU Darmstadt zur Verfügung stehen und ein Anziehungspunkt für die Lösung neuer interdisziplinärer Fragestellungen in den Natur- und Ingenieurwissenschaften sein“, sagt Bonaccurso.

Pressekontakt:
Simone Eisenhuth
Center of Smart Interfaces
Telefon: 06151/16-5697
E-Mail: eisenhuth@csi.tu-darmstadt.de

Jörg Feuck | idw
Weitere Informationen:
http://www.csi.tu-darmstadt.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Bessere Kathodenmaterialien für Lithium-Schwefel-Akkus
17.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Energie, sicher und leicht transportiert – Adaptive Verarbeitung komplexer Steuerungsdaten
17.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Tumult im trägen Elektronen-Dasein

23.05.2017 | Physik Astronomie

Forschung in Rekordzeit zum Planeten TRAPPIST-1h

23.05.2017 | Physik Astronomie

Premiere einer verblüffenden Technik

23.05.2017 | Medizintechnik