Die vielfältige Welt der nanostrukturierten Materialien

Einsatz in der Oberflächentechnologie, Wasseraufbereitung, Energiespeicherung und auch in der zellfreie Biosynthese

  • Abb.1: Entfernung von ölhaltigen Verunreinigungen auf neuartigen schaltbaren Easy-to-Clean-Oberflächen.Abb.1: Entfernung von ölhaltigen Verunreinigungen auf neuartigen schaltbaren Easy-to-Clean-Oberflächen.
  • Abb.1: Entfernung von ölhaltigen Verunreinigungen auf neuartigen schaltbaren Easy-to-Clean-Oberflächen.
  • Abb. 2: Fotographie eines Beugungsgitters bestehend aus einer Templatmatrix, hergestellt durch Laserinterferenzlithographie. In einem folgenden Schritt wird diese Matrix zur Anordnung von Nanopartikeln verwendet.
Nanomaterialien sind heute ein wichtiger Forschungsschwerpunkt und finden zunehmend Eingang in neue Produkte. Am Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden werden in der Abteilung „Nanostrukturierte Materialien“ polymerbasierte Nanostrukturen an Grenzflächen und in dünnen Filmen mit verschiedenen Herstellungsmechanismen erzeugt und untersucht. Die Aufklärung des Zusammenhanges zwischen Struktur und Eigenschaften führt zu einer gezielten Einstellung der Funktion der nanostrukturierten Grenzflächen, Oberflächen und dünnen Filme. 
 
Polymerbasierte Materialien in der Oberflächentechnologie
 
Polymerbasierte Materialien zeichnen sich vor allem durch ihre Vielseitigkeit, Funktionalität und die Möglichkeit der einfachen synthetischen Anpassung aus. So spielen „stimuli-responsive“ und nanostrukturierte Polymerbürstenschichten im Bereich der Oberflächentechnologie und vor allem in Zusammenhang mit intelligenten Beschichtungen eine wichtige Rolle. Polymerbürsten werden dabei als Baukastensystem verwendet, das es erlaubt, unter Anwendung des Bottom-up-Prinzips, die Beschichtung genauso aufzubauen, dass sie die gewünschten Funktionen aufweist [1]. Die verwendeten Bausteine sind (bi)funktionelle Polymere, Block- oder Kammpolymere, die einerseits die permanente Verankerung der Nanoschicht auf dem Substrat gewährleisten und andererseits die Oberflächenfunktion einstellen. Solche Beschichtungen können aus einem oder mehreren Polymeren aufgebaut sein, um z.B. Schaltbarkeit (d.h. Anpassung an sich verändernde Umgebungsbedingungen bzw. aktive Schaltung der Oberflächeneigenschaften) zu realisieren und komplexere Funktionen, z.B. als optischer Sensor oder bioaktives Substrat übernehmen, indem Nanopartikel oder Biomoleküle [2, 3] in der Schicht verankert werden. Die so hergestellten Hybridschichten zeichnen sich durch eine enorme Vielfalt aus, außerdem können sie nach einer Anpassung des Anbindungsmechanismus mit oder ohne Haftvermittler im Prinzip auf jedes Substrat appliziert werden, wobei die Beschichtungsparameter an technische Beschichtungsprozesse (z.B. Rolle-zu-Rolle-Beschichtung [4]) anpassbar sind.

Mögliche Anwendungen solcher Beschichtungen sind z.B. Anti-Eis, Anti-Fouling, Anti-Schmutz oder Easy-to-Clean Beschichtungen [5]. Der Kontakt mit Wasser bewirkt bei letzterer ein Umschalten in den hydrophilen Zustand. Dadurch schwimmen Öltropfen auf der Oberfläche auf einem dünnen Wasserfilm, der eine leichte Entfernung mit Wasser, ohne die Verwendung von Reinigungsmitteln, erlaubt. Beschichtungen mit einem solchen Schalteffekt verbessern somit die Easy-to-Clean-Funktion (Abb. 1). Polymerbürsten können ebenfalls zur Entwicklung von Anti-Eis-Beschichtungen verwendet werden, wobei Polymere dazu dienen, zwei aus der Natur bekannte Effekte auf Oberflächen zu übertragen: den „Tausalzeffekt“ und den „Anti-Freeze-Proteineffekt“. Durch den ersten Effekt soll eine Gefrierpunktserniedrigung an der Grenzfläche durch „salzähnliche“ Polymere, hier Polyelektrolyte, erreicht werden. Der zweite Effekt zielt auf die Nachstellung der hydrophil-hydrophoben Nanodomänen von Anti-Freeze-Proteinen durch die Selbstassemblierung von Block-Copolymeren ab. Durch die Kombination beider Effekte kann eine Verzögerung der Reifbildung und eine Verringerung der Eishaftung auf technischen Oberflächen erreicht werden [6]. 

 
Wasseraufbereitung und Energiespeicherung mit poröse Systeme
 
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt sind Block-Copolymer basierte poröse Systeme für Anwendungen in der Wasseraufbereitung und Energiespeicherung. Membranen für die Wasseraufbereitung sollen hinsichtlich Effizienz und Nachhaltigkeit verbessert werden. In der Abteilung werden hierbei zwei Wege verfolgt: die Ausrüstung kommerzieller Membranen mit zusätzlichen Funktionen, wie z.B. Anti-Fouling, Biozidität oder einer katalytischen Funktion [7], sowie die Entwicklung neuer Herstellungsverfahren für Membranen unter Verwendung polymerer Nano- und Hybridstrukturen und Mikrogele [8]. 
 
Arbeiten im Rahmen eines multidisziplinären Konsortiums beschäftigen sich mit der Verbesserung der Langzeitstabilität, Speicherdichte und Sicherheit von Lithium-Schwefel- und Lithium-Ionen Batterien. Hierbei werden neue polymerbasierte Kathodenmaterialien [9] auf der Basis nanoporöser Kohlenstoffstrukturen mit optimierter Morphologie, blockcopolymerbasierte Festelektrolyte, nanohybride Separatoren, sowie nanostrukturierte „atmende“ Anoden entwickelt. 
 
Zellfreie Biosynthese mit Hilfe von Mikrogelen
 
Das Wissen um mechanische und weitere physikochemische Eigenschaften einzelner Mikrogele ermöglicht im Bereich der zellfreien Biotechnologie die Entwicklung mikroskopischer Plattformen zur Durchführung zellfreier Biosynthesen. Hierbei können erstmals wesentliche Eigenschaften lebender Zellen wie Größe, räumliche Zusammensetzung sowie natürliche Dichte des Zellinnern in einer zellfreien Umgebung nachgebildet werden [10]. Hierzu werden polysaccharidbasierte Mikrogele mit definierter Größe und Porosität aus Mikroemulsionstemplaten produziert, mit DNA funktionalisiert und anschließend mit allen nötigen Komponenten einer zellfreien Proteinsynthese-Maschinerie beladen. Diese übersetzt die mikrogelimmobilisierte DNA in ein funktionales Protein. Weitere Untersuchungen zeigen, dass die Nachahmung der dichten Packung des natürlichen Zellinnern mit Makromolekülen durch Beladung der Mikrogele mit Ficoll zu einer wesentlichen Steigerung der Reaktionskinetik von DNA-Transkription sowie DNA-Translation gegenüber herkömmlichen makroskopischen Experimenten in verdünnter Lösung beiträgt.
 
Anwendungen von Metamaterialien
 
Nanopartikel spielen in unserer Forschung nicht nur als aktive Komponenten in Polymerbürsten oder Membranen eine Rolle, sondern auch hochgeordnet bei der Erzeugung gezielt einstellbarer optischer Effekte. Optische Metamaterialien weisen eine kontrollierte Heterogenität auf einer Längenskala, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, auf. Durch ein Design auf dieser Längenskala können die Wechselwirkungen mit Licht kontrolliert und effektive Materialkonstanten wie der Brechungsindex eingestellt werden, was völlig neue Möglichkeiten für Optik (negativer Brechungsindex, Cloaking) und Sensorik (oberflächenverstärkte Spektroskopie (z.B. Surface Enhanced Raman Spectroscopy SERS) eröffnet. Wir konzentrieren uns auf optische Metamaterialien, die durch templatgestützte Selbstassemblierung kolloidaler Partikel und damit in einem skalierbaren Prozess hergestellt werden [11,12] (Abb.2). So ist es möglich, durch eine bestimmte Strukturierung der Nanopartikel, eine Reflexion oder Beugung von Strahlung einer bestimmten Wellenlänge zu erzielen. Solche Materialien können zukünftig unter anderem im Bereich der Tarnkappentechnologie Anwendung finden. 
 
In der Abteilung ist neben dem beschriebenen materialwissenschaftlichen Know-how eine umfangreiche Methodenkompetenz in der Nanaoanalytik vorhanden. Elektronenmikroskopie (Rasterelektronenmikroskopie, REM, (kryo) Transmissionselektronenmikroskopie, TEM) und Röntgenstreuung werden genutzt, um die erzeugten Nanostrukturen in Polymer- und Hybridmaterialien und dünnen Filmen aufzuklären. Abbildende Rastersondentechniken (z.B. mittels AFM) werden verwendet, um die Oberflächenmorphologie und Oberflächenwechselwirkungen auf der Nano- und der Mesoskala abzubilden und zu verstehen. Weiterhin kommen optische Charakterisierungstechniken (UV/Vis NIR, spektroskopische Ellipsometrie, Dunkelfeldmikroskopie) zum Einsatz, um die entwickelten optischen Metamaterialien im Detail zu untersuchen. 
 
In der Abteilung werden Nanostrukturen an Grenzflächen und in dünnen Filmen somit sowohl erzeugt als auch auf verschiedenen Größenskalen charakterisiert, was zu einem detaillierten Verständnis des Zusammenhanges zwischen Struktur und Eigenschaften führt und ermöglicht, dass unter Verwendung verschiedener Herstellungsmechanismen die Funktion nanostrukturierter Materialien, Grenzflächen, Oberflächen und dünner Filme gezielt eingestellt werden kann. Ziel ist es, maßgeschneiderte Materialien für Anwendungen in Sensorik, Wasserreinigung, Nanoelektronik, Energieerzeugung und -speicherung, als multifunktionelle dünne Schichten, sowie schaltbare und responsive Grenzflächen zur Verfügung zu stellen.
Autoren
Nicole Vilbrandt1 und Petra Uhlmann1
 
Zugehörigkeit
1 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V., Institut für Physikalische Chemie und Physik der Polymere, Abteilung - Nanostrukturierte Materialien, Dresden, Deutschland
 
Kontakt   
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
Institut für Physikalische Chemie und 
Physik der Polymere
Abteilung - Nanostrukturierte Materialien
Dresden, Deutschland
uhlmannp@ipfdd.de

 

Literatur
[1] Rauch, S. ; Eichhorn, K.-J. ; Kuckling, D. ; Stamm, M. ; Uhlmann, P. Chain extension of stimuli-responsive polymer brushes: a general strategy to overcome the drawbacks of the "Grafting-to" approach, Advanced Functional Materials 23 (2013) 5675-5681 http://dx.doi.org/10.1002/adfm.201300849
[2] Psarra, E. ; Foster, E. ; König, U. ; You, J. ; Ueda, Y. ; Eichhorn, K.-J. ; Müller, M. ; Stamm, M. ; Revzin, A. ; Uhlmann, P. Growth factor-bearing polymer brushes - Versatile bioactive substrates influencing cell response, Biomacromolecules 16 (2015) 3530-3542 http://dx.doi.org/10.1021/acs.biomac.5b00967
[3] König, M. ; Bittrich, E. ; König, U. ; Rajeev, B. L. ; Müller, M. ; Eichhorn, K.-J. ; Thomas, S. ; Stamm, M. ; Uhlmann, P. Adsorption of enzymes to stimuli-responsive polymer brushes: Influence of brush conformation on adsorbed amount and biocatalytic activity more Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 146 (2016) 737-745 http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfb.2016.07.015
[4] Uhlmann, P. ; Oleschko, K. ; Laber, N. ; Hüttner, G. ; Lehmann, B. Smarte Nanobeschichtungen, Farbe und Lack 117 (2011) 17-20
[5] Kunder, M. ; Uhlmann, P. ; Stake, A. ; Lukasczyk, T. ; Stenzel, V. Kratzfester UV-Lack mit intelligenter Oberfläche, Farbe und Lack 119 (2013) 102-106
[6] Stamm, M., Kretschmer, K., Uhlmann, P., Frenzel, R., Simon, F., Verwendung einer dauerhaften Beschichtung von metall- o der Glasoberflächen zur Be- und/oder Verhinderung des Vereisens, DE 102006060340, US8202620 B2
[7] Tripathi, B. P. ; Dubey, N. C. ; Stamm, M. Polyethylene glycol cross-linked sulfonated polyethersulfone based filtration membranes with improved antifouling tendency, Journal of Membrane Science 453 (2014) 263-274 http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2013.11.007
[8] Tripathi, B. P. ; Dubey, N. C. ; Choudhury, S. ; Formanek, P. ; Stamm, M. Ultrathin and switchable nanoporous catalytic membranes of polystyrene-b-poly-4-vinyl pyridine block copolymer spherical micelles, Advanced Materials Interfaces 2 (2015) 11p. http://dx.doi.org/10.1002/admi.201500097
[10] DNA-functionalized hydrogels for confined membrane-free in vitro transcription/translation† J. Thiele,*a Y. Ma,a D. Foschepoth,a M. M. K. Hansen,a C. Steffen,b H. A. Heusa and W. T. S. Huck, Lab Chip, 2014, 14, 2651, DOI: 10.1039/c3lc51427g
[11] Hanske, C.; Tebbe, M.; Kuttner, C.; Bieber, V.; Tsukruk, V.; Chanana, M.; König, T.; Fery, A.; Strongly Coupled Plasmonic Modes on Macroscopic Areas via Template-Assisted Colloidal Self-Assembly, Nano Lett. 2014, 14, 6863-6871. http://dx.doi.org/10.1021/nl502776s
[12] Mayer, M. ; Tebbe, M. ; Kuttner, C. ; Schnepf, M. J. ; König, T. ; Fery, A. Template-assisted colloidal self-assembly of macroscopic magnetic metasurfaces, Faraday Discussions 2016 (2016) 159-176 http://dx.doi.org/10.1039/C6FD00013D

 
 

 

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Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
Hohe Strasse 6
01069 Dresden, Sachsen
Telefon: 0351 465 8 236

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