3D-Bilder aus der Nanowelt

Chemiker der TU Chemnitz bilden kleinste Kristalle in Kunststoffen räumlich ab – die Nanotomographie macht’s möglich

Polypropylen – jeder hat dieses Material schon einmal in der Hand gehabt, denn es ist einer der meistverwendeten Kunststoffe überhaupt. Polypropylen begegnet uns in Form von Verpackungen, als Faser eines funktionellen Sporthemds oder als Spielzeug. Dieser Kunststoff ist weit verbreitet, weil er günstig herzustellen ist und sich seine Eigenschaften ganz nach Wunsch den Bedürfnissen anpassen lassen. Dem Geheimnis dieser Anpassungsfähigkeit kam jetzt eine von der VolkswagenStiftung eingerichtete Nachwuchsgruppe um Prof. Dr. Robert Magerle und Dr. Nicolaus Rehse an der Technischen Universität Chemnitz auf die Spur. Dem Forscherteam ist es erstmals gelungen, die Struktur von Polypropylen im Nanometerbereich – ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter – sichtbar zu machen. Möglich wurde dies durch die von Prof. Magerle entwickelte Methode der so genannten Nanotomographie. Die 3D-Bilder machen deutlich, dass die Wandlungsfähigkeit der Kunststoffe in der Zusammensetzung des Materials auf der Nanoskala begründet ist. Die Forschungsergebnisse sind in dieser Woche in der Online-Fassung der Zeitschrift Advanced Materials erschienen.

Die Nanotomographie öffnet den Blick auf Strukturen bis zu einer Größe von zehn Nanometer – was etwa 10.000 Mal kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Vergleichbar einer archäologischen Ausgrabung wird bei der Nanotomographie Schicht für Schicht einer Probe abgetragen und nach jedem Schritt ein Bild von der Oberfläche aufgenommen. Dabei wird mit der Rasterkraftmikroskopie nicht nur die Materialverteilung registriert, sondern auch die Form der Oberfläche vermessen. So erhalten die Wissenschaftler die genaue Lage der verschiedenen Materialkomponenten in einer Schicht – und zwar selbst dann, wenn diese eine gewisse Rauhigkeit aufweist. Die Daten der einzelnen Schichten werden anschließend im Computer zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt. Für Polypropylen ergibt sich ein 3D-Bild, das die Form und Anordnung einzelner kristalliner Bereiche zeigt.

Die aus der Nanotomographie erhaltenen Strukturdaten eröffnen neue Möglichkeiten für die Herstellung moderner Materialien. Von den 3D-Bildern ausgehend lassen sich die Materialeigenschaften simulieren. Das liefert etwa Hinweise darauf, wie sich das Produkt für die gewünschte Anwendung optimieren lassen könnte. Aktuelle Beispiele sind Klebestreifen aus Polypropylen mit gezielt einstellbarer Haftfähigkeit oder Polyethylenfasern mit extrem hoher Festigkeit. Große Bedeutung, so meinen die Chemnitzer Chemiker, habe das Verfahren auch für das Verständnis der Strukturbildung und der Mikromechanik von nanostrukturierten Materialien, wie zum Beispiel hochfeste Metalllegierungen für Gasturbinen, aber auch Knochen und andere Biomaterialien.

Die VolkswagenStiftung hat Professor Dr. Robert Magerle und sein Team im Rahmen der im Jahr 2002 in Bayreuth eingerichteten Nachwuchsgruppe „High Resolution Volume Imaging and Characterization of Polymeric Materials with Nanotomography“ mit rund 1,2 Millionen Euro gefördert. Inzwischen ist Professor Magerle einem Ruf an die Technische Universität Chemnitz gefolgt.