Ordnung wie von Geisterhand

Viele Autofahrer träumen davon: Kein Wagenwaschen mehr, weil das Wasser an der Karosserie abperlt und wie von Geisterhand geführt den Schmutz mitnimmt. Dieses Lotuseffekt genannte Phänomen existiert in der Natur bei der Lotuspflanze. Verantwortlich dafür, dass die Schmutzteilchen nicht mehr an der Oberfläche haften, ist ihre komplexe nanostrukturierte Oberfläche.

Doch sind Strukturen im Nanobereich – ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter, also dem hunderttausendsten Teil eines menschlichen Haares – nur sehr schwer technologisch herzustellen. Mit herkömmlichen fotolithografischen Methoden lassen sich bisher zum Beispiel Nanostrukturen bis in die Größenordnung von 100 nm herstellen, allerdings zu hohen Preisen. Daher ist es sinnvoll, die natürlichen Vorbilder – etwa die molekulare Selbstorganisation – technologisch nachzubilden. Materialwissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es nun gelungen, solche Nanostrukturen auf der Oberfläche von ultra-dünnen Filmen zu erzeugen und mittels verschiedener Messtechniken nachzuweisen. Ihre Ergebnisse haben die Jenaer Forscher um Prof. Dr. Klaus D. Jandt in der angesehenen amerikanischen Fachzeitschrift „Macromolecules“ veröffentlicht.

Materialien, die der Natur ähnliche molekulare Selbstorganisationseigenschaften aufweisen, sind unter anderem die Block-Copolymere. Block-Copolymere bestehen aus zwei oder mehr unterschiedlichen Polymerketten, die Blöcke genannt werden und miteinander verbunden sind. „Die Kette eines Block-Copolymers kann man sich vereinfacht wie einen Spaghetti vorstellen, der zur Hälfte rot und zur anderen Hälfte blau ist“, erläutert Dipl.-Ing. Robert Schulze von der Friedrich-Schiller-Universität. „Aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften versuchen die beiden Blöcke, sich gegenseitig so wenig wie möglich zu berühren. Stellt man sich nun einen ganzen Teller dieser rot-blauen Spaghetti vor, so würden sich die roten Hälften nur mit anderen roten Hälften umgeben und die dazugehörigen blauen Hälften nur mit anderen blauen Hälften“, sagt der Doktorand am Lehrstuhl für Materialwissenschaft. Derartige Prozesse werden als Phasenseparation bezeichnet. Da dieser Prozess bei Block-Copolymeren allerdings auf molekularer Ebene stattfindet, wird dies wissenschaftlich als Mikrophasenseparation bezeichnet, bei der im Ergebnis wie von Geisterhand selbstorganisierte Nanostrukturen entstehen. Die vielfältigen Formen und die Größe dieser Nanostrukturen hängen direkt von den Längen der einzelnen Blöcke ab.

Die Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena nutzen diese Block-Copolymere als Beschichtungen, um selbstorganisierte nanostrukturierte Oberflächen zu erzeugen und zu verstehen. Dabei werden Block-Copolymere mit einer sehr kurzen Kettenlänge verwendet, bei denen beide Blöcke kristallisieren können. „Eine Besonderheit dieser kristallisierbaren Block-Copolymere besteht darin, dass die Kristallisation die Mikrophasenseparation überschreiben kann, wodurch neuartige, bisher unbekannte Nanostrukturen entstehen können“, erläutert Prof. Jandt. Die Größe dieser Nanostrukturen hänge direkt von der ausgestreckten oder ganzzahlig gefalteten Kettenlänge ab. Jandts Team ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf der Oberfläche von ultra-dünnen Filmen zu erzeugen und mit oberflächensensitiven Messtechniken nachzuweisen.

„Einzigartig an diesen Dünnfilmen ist, dass aufgrund des verwendeten Block-Copolymers asymmetrisch-lamellare Nanostrukturen auf den Dünnfilmoberflächen erzeugt werden konnten, was mit herkömmlichen nicht-kristallisierbaren Block-Copolymeren unmöglich ist“, sagt Jandt. Darüber hinaus habe das untersuchte Block-Copolymer ein bisher unbekanntes Filmbildungsverhalten auf chemisch unterschiedlichen Oberflächen gezeigt, was unter anderem durch die kurze Kettenlänge ausgelöst wird. „In Zukunft soll dies unter anderem als Modellsystem zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Proteinen und nanostrukturierten Oberflächen genutzt werden“, so Jandt weiter. Ein Ziel ist dabei, die Proteinanlagerung gezielt zu beeinflussen oder gar ganz zu unterbinden. „Derartige Beschichtungen sind insbesondere für medizintechnische Anwendungen oder für Strukturen in Polymer-Solarzellen zur Erzeugung regenerativer Energien von bedeutendem Interesse“, ergänzt der Jenaer Materialwissenschaftler, der zwar auch gerne sein Auto per Lotuseffekt gesäubert sähe, aber v. a. Grenzflächen zwischen Materialien und Lebewesen erforscht.

Original-Publikation:
Robert Schulze et al.: Extended-Chain Induced Bulk Morphologies Occur at Surfaces of Thin Co-Oligomer Films Macromolecules, 2012, 45 (11), pp 4740–4748, DOI: 10.1021/ma300643m

Kontakt:
Prof. Dr. Klaus D. Jandt
Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Lehrstuhl für Materialwissenschaft
Löbdergraben 32, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947730
E-Mail: k.jandt[at]uni-jena.de