Nanobelægninger med mange funktioner

Materialer, der samtidig har kontrasterende egenskaber - f.eks. de er bløde på den ene side og hårde på den anden side, med en gradvis overgang mellem de to egenskaber - kunne muliggøre helt nye applikationer som anti-reflekterende linser. I naturen, sådanne sammensmeltningsejendomme er faktisk almindelige, for eksempel i muslinger eller i det menneskelige øje. Materialeforskere ved Kiel Universitet har brugt dette princip til at udvikle nye materialer på nanoskala. Det er nu lykkedes dem at fremstille ultratynde copolymerfilm med så gradvist varierende egenskaber. Som multifunktionelle belægninger, de kunne tillade komplekse optiske og elektroniske applikationer i miniatureformat, for eksempel til mikroelektronik. Deres resultater blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Materialer i dag og også omtalt på forsiden af ​​nummeret.

Materialeegenskaber inspireret af naturen

Muslinger kan hæfte sig så fast på sten eller moler, at de ikke kan løsnes af havstrømmen. For at det bløde væv inde i muslingeskallen skal lægge sig stabilt til den hårde overflade af en sten, muslinger danner elastiske klæbende tråde, for eksempel, som hele tiden bliver sværere mod slutningen. Dette skyldes blandingen af ​​proteiner, der ændres jævnt fra den ene ende til den anden i fiberen.

Baseret på dette princip fra naturen, materialeforskere i Kiel udvikler unikke tynde materialer med lignende sammensmeltende egenskaber, såkaldte gradient tynde film. "For at opnå dette, vi kombinerer to materialer med forskellige egenskaber på nanoniveau, " forklarer Stefan Schröder. Han er den første forfatter til undersøgelsen og i øjeblikket laver sin ph.d.-grad på Chair for Multicomponent Materials. Undersøgelsen viser en måde at syntetisere sådanne gradienter som ultratynde polymerfilm for første gang. Schröder og hans kolleger kombinerede polytetrafluorethylen (PTFE, bedre kendt under handelsnavnet "Teflon") med polymeren PV3D3. Den resulterende materialekombination kunne bruges, for eksempel, at beklæde fly, køleskabe, eller glasfronter for at gøre dem nemmere at afise.

Til dette formål, Schröder og hans kolleger udnyttede de to polymerers forskellige egenskaber:Teflon er ikke kun kendt for sine non-stick egenskaber, dens overflade er også hydrofob. Derfor ruller vanddråber ideelt set af med det samme eller fryser kun lidt, hvilket også gør det nemmere at fjerne is. Men selve teflon er svært at påføre på andre overflader. PV3D3 på den anden side er kendetegnet ved gode klæbeegenskaber. Ved gradvist at kombinere de to materialer på nanoniveau, forskerholdet var i stand til at slutte sig til dem i en glidende overgang. På den ene side, båndet er særligt godt, og på den anden side, forskellige egenskaber bibeholdes. Resultatet er et belægningsmateriale med en vandafvisende overside og en godt klæbende underside.

Tynde polymerbelægninger - ikke så let at fremstille

Men at belægge overflader med polymerer på en kontrolleret måde er ikke så let. Der er allerede etablerede dampaflejrings- eller forstøvningsprocesser til belægning med metaller eller keramiske materialer, som også har været brugt i stor industriel skala i årtier. Imidlertid, polymerer kan ikke blot fordampes eller sputteres uden nedbrydning. Den amerikanske videnskabsmand Karen K. Gleason giver et middel med den påbegyndte kemiske dampaflejringsteknik (iCVD) hun udviklede i midten af ​​1990'erne ved Massachusetts Institute of Technology MIT, hvor Schröder tilbragte et forskningsophold i 2017.

"I denne proces, en gas ledes sammen med en initiatorgas ind i et reaktionskammer, hvori en substratoverflade er placeret. Varme får initiatorens kemiske bindinger til at bryde og en kædereaktion begynder, " forklarer doktorvejleder professor Franz Faupel, indehaver af Chair of Composite Materials og medlem af forskningsområdet KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) på CAU. Denne måde, en tynd polymerfilm "vokser" på substratoverfladen fra de indførte gasser.

Materialeforskerne fra Kiel gik et skridt videre. De brugte iCVD-processen ikke kun til at skabe et tyndt polymerlag, men bindede samtidig to polymerer i en gradvis overgang. Efter at have introduceret V3D3-monomeren, de tilsatte udgangsmaterialet til PTFE-aflejringen og øgede kontinuerligt dets koncentration. På samme tid, de sænkede V3D3, således at begge danner en polymerfilm på substratet med en gradvis overgang fra en ren PV3D3-polymer til en ren PTFE-film startende fra substratoverfladen.

En ny klasse af organiske gradient nanomaterialer

Under iCVD-teknikken, adskillige processer foregår parallelt. "Hvis individuelle parametre såsom substrattemperaturen eller trykket af monomergassen i reaktoren ændres, det endelige materiale får forskellige egenskaber. Imidlertid, at finde de rigtige parametre for de ønskede egenskaber er meget komplekst, " forklarer Schröder. Derfor han udstyrede det konventionelle iCVD-system i deres stol med et quadrupol massespektrometer med åben ionkilde. Det gør det muligt at observere processerne i reaktionskammeret in situ og at justere sammensætningen af ​​gasblandingen af ​​initiatoren og de to monomerer på samme tid.

På grund af denne højpræcisionskontrol, forskerholdet kunne syntetisere et polymergradientlag, der kun er 21 nanometer tykt. Til sammenligning:menneskehår har en diameter på omkring 50, 000 nanometer. Tidligere har kun makroskopiske gradienter havde været mulige. "Sådan en tynd gradientfilm er praktisk talt en verdensrekord og praktisk talt en ny klasse af organiske gradient-nanomaterialer, " siger Dr. Thomas Strunskus, en forskningsmedarbejder i arbejdsgruppen. "Især til applikationer inden for optik, belægninger på kun få nanometer er afgørende for ikke at forringe de optiske egenskaber af vinduer eller linser, for eksempel." De første projekter med industrielle partnere fra coating- og klimateknologisektoren er allerede under forberedelse.

Mulige anvendelser spænder fra mikroelektronik og sensorer til optik og biomedicin

Processen præsenteret i undersøgelsen kan også bruges til at realisere andre polymerkombinationer med nye kemiske og fysiske materialeegenskaber. Nanometertynde polymerfilm er også interessante, for eksempel, til fleksible mikroelektroniske komponenter og sensorer i MEMS-teknologi (mikro-elektromekaniske systemer) eller molekylære maskiner, der overfører mekaniske processer til nanoskalaen.

De nu offentliggjorte resultater vil også flyde ind i flere forskningsforeningers arbejde under KiNSIS' paraply. "Dette er grundlæggende værktøjer til materialevidenskab. Anvendelser spænder fra forbedring af vedhæftningen af ​​funktionelle lag i sensorer og udvikling af materialer til kontrolleret frigivelse af lægemidler til molekylære maskiner, " siger Faupel.