Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker gewinnen neue Einsichten über dynamische Eigenschaften dünner Polymerfilme

07.08.2014

Oberflächen mit dünnen Lackschichten zu versehen, kann eine schwierige Aufgabe sein.

Gravierende Folgen haben mögliche Störungen, wenn sie in Mikro- oder Nanostrukturen auftreten, in denen molekular dünne Polymerfilme Verwendung finden, zum Beispiel in der Mikroelektronik, in der Biotechnologie und der Prozesstechnik.


Aus einem Wasserhahn fließt ein aufreißender Wasserstrahl. Er verdeutlicht die Rayleigh-Plateau-Instabilität, die nun auch für Flüssigkeitsfilme auf molekularer Ebene erforscht wurde (re Bildhälfte)

Foto: Karin Jacobs

Dort können Unebenheiten und Instabilitäten die Funktion eines Bauteils einschränken oder die Lebensdauer verkürzen. Ein internationales und interdisziplinäres Team um die Saarbrücker Physikprofessorin Karin Jacobs hat in einer jüngst veröffentlichten Arbeit höchst präzise Erkenntnisse über das Auftreten von Instabilitäten in Polymerfilmen beschrieben.

Die Studie wurde in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters publiziert.

Dünne Polymerfilme haben vielfältige Anwendungen in Mikroelektronik, Biotechnologie und Prozesstechnik, zum Beispiel als Schutzschicht, Haftvermittler oder Fotolack. Die Stabilität dieser Filme ist daher von großer technischer Bedeutung.

Sie hängt von mehreren Faktoren ab, zum einen von der Oberflächenspannung zwischen Polymer und Unterlage, zum anderen von den molekularen Wechselwirkungen, die sehr dünne Filme, die gerade einmal so dick sind wie ein Polymermolekül lang ist, stabil oder instabil machen können. Diese Wechselwirkungen kennen Wissenschaftler heute sehr genau und können sie gezielt modifizieren.

Polymerfilme, die instabil sind, müssen aber nicht unbedingt aufreißen, sie können trotz allem recht langlebig sein. Wirklich kritisch wird es erst, wenn ein solch instabiler Film fließt, was immer dann der Fall ist, wenn die Polymerfilme im flüssigen Zustand auf eine Oberfläche aufgetragen werden, zum Beispiel bei der Halbleiterherstellung oder beim Streichen von Fenstern und Wänden.

Mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM) in Kombination mit hochpräziser mathematischer Modellierung ist es Karin Jacobs’ Team gelungen, dieses Problem nun sehr detailliert zu untersuchen und zu verstehen.

Was passiert, wenn ein dünner Polymerfilm fließt, kann man anhand einer anderen physikalischen Alltagssituation veranschaulichen, nämlich dem Aufbrechen eines Wasserstrahls in Tröpfchen, das an jedem Wasserhahn beobachtet werden kann (siehe Bild).

Dieser Vorgang wurde bereits vor fast 150 Jahren von einem britischen und einem belgischen Physiker verstanden, nach denen er als Rayleigh-Plateau–Instabilität benannt wird. Entscheidend für das Auftreten der Instabilität sind die Oberflächenspannung und die Fließgeschwindigkeit des Wasserstrahls.

Beim dünnen Polymerfilm ist die Fließgeschwindigkeit des Films der entscheidende Faktor. Normalerweise ist die Geschwindigkeit einer strömenden Flüssigkeit direkt an der Grenzfläche zu einer festen Oberfläche Null und am höchsten an der Grenzfläche zur Luft hin. Die Geschwindigkeit zur festen Oberfläche kann aber durch eine spezielle Modifizierung (z. B. in durch einen Haftvermittler) so verändert sein, dass der Film auf der Oberfläche wie ein Festkörper „rutschen“ kann. Dadurch kann das Abfließen stark behindert werden, was für manche technischen Prozesse sehr störend sein kann.

Die Experimente von Jacobs’ Team sowie die Beiträge von Kollegen der Angewandten Mathematik und Theoretischen Physik aus Berlin, Lille (Frankreich) und Oxford (Großbritannien) erlauben es nun, die Rayleigh-Plateau-Instabilität eines dünnen Films zu verstehen, ob mit oder ohne „Rutschanteil“ an der Grenzfläche: Perlt eine flüssige Schicht von einer festen Unterlage ab, so bildet sich eine Front aus, an der sich alle drei Phasen – fest, flüssig, gasförmig – treffen.

Diese Dreiphasenkontaktlinie bewegt sich über die Unterlage, „schiebt“ den flüssigen Film über die Unterlage und sammelt dabei die Flüssigkeit in einem stetig anwachsenden, schlauchförmigen Randwulst auf. Geometrisch dem zylinderförmigen Wasserstrahl aus dem Rayleigh-Plateau-Experiment ähnlich, strebt auch dieser Flüssigkeitsschlauch dem energetisch günstigsten Zustand zu: einzelnen Tröpfchen.

Jedoch bleiben diese Tröpfchen nur dann auf der Unterlage zurück, wenn die Flüssigkeit einen hohen Rutschanteil aufweist, der oben erwähnte Haftvermittler also entsprechend beschaffen ist. Dies kann bei industriellen Trocknungsprozessen störend sein. Ohne Rutschanteil hingegen, also bei einer Grenzflächengeschwindigkeit Null, bildet der Flüssigkeitsschlauch zwar Flüssigkeitsbeulen aus, aber es werden keine Tröpfchen gebildet.

Eine besondere Leistung der Studie von Jacobs und ihren Mitarbeitern ist der quantitative Vergleich zwischen Experiment, mathematischer Theorie und Simulation. Dies ist in der Regel nur möglich bei gut ausgewählten Modellsystemen, die sich sowohl mit experimentellen Methoden gut charakterisieren lassen als auch eine genaue mathematische Beschreibung erlauben. Die präzisen Einsichten, die an diesen Systemen gewonnen werden, sind jedoch die Basis zum Verständnis komplexerer Systeme.

Die Studie ist u. a. im Rahmen des Graduiertenkollegs 1276 der DFG entstanden und wurde unter dem Titel „Influence of Slip on the Rayleigh-Plateau Rim Instability in Dewetting Viscous Films“ in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht (http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.014501).

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Karin Jacobs
Tel.: (0681) 302-71788
E-Mail: k.jacobs@physik.uni-saarland.de
Internet: http://www.uni-saarland.de/jacobs

Ein Pressefoto für den kostenlosen Gebrauch finden Sie unter http://www.uni-saarland.de/pressefotos. Bitte beachten Sie die Nutzungsbedingungen.

Gerhild Sieber | Universität des Saarlandes

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beschichtung lässt Muscheln abrutschen
18.08.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht PKW-Verglasung aus Plastik?
15.08.2017 | Technische Hochschule Mittelhessen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie