Haftung auf Anti-Haft

Haben Sie schon einmal im Bad Farbe über Silikon gestrichen? Nach wenigen Stunden fällt die Farbe ab. Ärgerlich. Silikon ist ein typisches Antihaftmaterial mit sehr niedriger Oberflächenspannung, das man nicht nur als Fugenmaterial, sondern zum Beispiel auch als flexible Kuchenform kennt. Ähnlich beschaffen ist Teflon, bekannt als Bratpfannenbeschichtung. Beide Materialien sind synthetisch hergestellte Kunststoffe, sogenannte Polymere.

Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat nun eine neue Technologie entwickelt, mit der die beiden Antihaftmaterialien erstmals aufeinander haften. Dabei verwenden sie Nano-Kristalle als Heftklammern. Die Nano-Heftklammern eröffnen Lösungen für eine Vielzahl technischer Herausforderungen, zum Beispiel in der Medizintechnik. Die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ finanzierte Arbeit wurde heute (Freitag, 24. August) im Fachjournal Advanced Materials veröffentlicht.

Eine neue Technologie
„Wenn die Nano-Heftklammern solch extreme Antihaftpolymere wie Teflon und Silikon miteinander verbinden können, dann halten mit ihnen auch alle möglichen anderen Kunststoffe aneinander“, sagt Professor Rainer Adelung. Adelung ist Leiter der Forschungsgruppe „Funktionale Nanomaterialien“ am Institut für Materialwissenschaft der CAU und betreute das Heftklammerprojekt vonseiten der Materialwissenschaften. Die neue Beschichtungstechnik verzichtet auf chemische Klebstoffe und kann laut Adelung in zahlreichen Alltags- und Hightechanwendungen nützlich sein. Darüber hinaus ist die Technik einfach anzuwenden und bedarf keiner teuren Spezialausstattung oder -materialien.

Mikroskopische Heftklammern
Die Heftklammern sind Kristalle aus Zinkoxid mit einer Größe von mehreren Nano- bis wenigen Mikrometern, also wenige Tausendstel- bis Millionstelmillimeter klein. Sie haben die Form von Tetrapoden, vier starren Armen, die von einem zentralen Punkt ausgehen. Größere Tetrapoden von mehreren Metern kennt man als Wellenbrecher zum Küstenschutz von Sylt oder Helgoland, wo sich die Arme ineinander verhaken und so den Kräften der Meeresströmungen trotzen.

Von innen tackern
Beim Aneinanderfügen der Polymere werden zunächst Zinkoxidkristalle gleichmäßig auf einer erwärmten Teflonschicht verteilt. Darüber wird eine Silikonschicht aufgebracht. Um die beiden Materialien zu verbinden, werden sie für weniger als eine Stunde auf etwa einhundert Grad Celsius erwärmt. „Wir tackern sozusagen die beiden Antihaftmaterialien von innen aneinander“, erklärt Xin Jin, die Erstautorin der Studie ist und derzeit in Kiel für ihre Doktorarbeit forscht. Ihr Kollege und Betreuer Doktor Yogendra Kumar Mishra erklärt das Haftprinzip: „Wenn man an einem herausstehenden Arm des Tetrapoden zieht, graben sich die übrigen drei Arme tiefer in das Material, so dass der Tetrapode umso fester im Material sitzt.“

Tackern ist besser als kleben
In Hightechbereichen wie der Medizintechnik gibt es eine große Nachfrage nach innovativen Methoden, insbesondere Silikon auf anderen Materialien zu befestigen, zum Beispiel bei modernen Atemmasken, Implantaten oder auch kleinen Sensoren. Für derartige medizinische Anwendungen werden Verfahren benötigt, die gesundheitlich absolut unbedenklich, also biokompatibel sind. Viele Technologien nutzen chemische Reaktionen: Die Materialien werden aneinander geklebt. Doch die chemischen Prozesse können auch die Polymere verändern und sie im ungünstigsten Falle sogar giftig machen. Die Tetrapoden-Heftklammern hingegen sind eine rein mechanische Verknüpfungstechnik, so dass das Kieler Forschungsteam davon ausgeht, dass sie biokompatibel sind.

So fest wie Klebeband
Mit den Nanoklammern hält die Teflon-Silikonverbindung einer Kraft von 200 Newton pro Meter stand. Das entspricht etwa dem Abziehen von herkömmlichem Klebeband von einer Glasoberfläche. „Diese Haftwirkung der Nanotetrapoden ist erstaunlich, wenn man bedenkt, dass – soweit wir in Erfahrung bringen konnten – bislang niemand Teflon und Silikon überhaupt zum Haften aneinander bringen konnte“, sagt Lars Heepe, Doktorand am Zoologischen Institut der CAU, der die Haftkraft präzise vermessen und die Heftklammern mikroskopisch analysiert hat.

Eine fächerübergreifende Gemeinschaftsarbeit
Drei Forschungsgruppen verknüpften ihre Expertise in Materialwissenschaften, Chemie und Biomechanik in dieser Studie im Rahmen des SFB 677. Für Rainer Adelung sowie seine Kolleginnen und Kollegen geht es nun weiter: „Unsere Ergebnisse fließen direkt in praktische Anwendungsprojekte und in die aktuelle Grundlagenforschung ein.“ So arbeitet der lokale Wirtschaftspartner nanoproofed GmbH bereits an einem Farbprodukt zum Streichen auf Silikon. Im Sonderforschungsbereich sollen die Nanoklammern ferner Grundlage für die Entwicklung biomimetischer Klebstoffe sein, deren Haftwirkung sich mithilfe von Licht an und ausschalten lassen.

Originalpublikation:
X. Jin, J. Strueben, L. Heepe, A. Kovalev, Y.K. Mishra, R. Adelung, S.N. Gorb, A. Staubitz (2012): Joining the un-joinable: Adhesion between low surface energy polymers using tetrapodal ZnO linkers. Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma201201780,
Weitere Informationen:
Link zur Publikation:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201201780/abstract
Webseite des Sonderforschungsbereiches 677:
http://www.sfb677.uni-kiel.de

Folgende Bilder stehen zum Download bereit:

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-237-1.jpg
Bildunterschrift: Jeder der Zinkoxidkristalle hat die Form eines Tetrapoden mit vier Armen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme.
Copyright: CAU, Image: Xin Jin

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-237-2.jpg
Bildunterschrift: Die Arme der Tetrapoden-Heftklammern verhaken sich ineinander und bilden so einen festen Verbund. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme.
Copyright: CAU, Image: Xin Jin

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-237-3.jpg
Bildunterschrift: Die Tetrapoden sinken in den Kunststoff, doch die Arme ragen heraus und fungieren als Haken.
Copyright: CAU, Image: Xin Jin

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-237-4.jpg
Bildunterschrift: Zwei Kunststoffschichten werden von den tetrapodenförmigen Nano-Heftklammern von innen aneinander getackert. Konzeptzeichnung.
Copyright: CAU, Image: Jan Strüben

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2012/2012-237-5.jpg
Bildunterschrift: Teflon und Silikon: Ein Kieler Team lässt beide synthetischen Kunststoffe aneinander haften.
Copyright: CAU, Image: Claudia Eulitz

Kontakt:
Prof. Rainer Adelung
Institut für Materialwissenschaft
E-Mail: ra@tf.uni-kiel.de