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10.10.2016 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Oberflächengestaltung im Nanomaßstab

Autor:
Dieter Beste

Wie Metalle genutzt werden können, hängt besonders von den Eigenschaften ihrer Oberflächen ab. Forscher haben nun herausgefunden, wie sich diese Eigenschaften verändern lassen, ohne die Stabilität der Metalle anzugreifen oder deren Metalleigenschaften an sich zu verändern.

Forscher der Universität Kiel haben eine neuartige Methode zum Patent angemeldet, mit der es gelingt, die oberste Schicht eines Metalls mit einem elektrochemischen Ätzverfahren im Mikrobereich kontrolliert aufzurauen. Die Wirkung ist enorm: Metalle wie Aluminium, Titan oder Zink lassen sich dank des "nanoscale-sculpturing"-Verfahrens mit nahezu allen Materialien dauerhaft verbinden, werden wasserabweisend oder erhöhen ihre Biokompatibilität, wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Nanoscale Horizon" berichten.

Die Innovation besteht aus einer Neukombination: "Eine Technologie, die bislang nur von Halbleitern bekannt ist, haben wir jetzt auf Metalle angewendet. Dieses Verfahren so zu nutzen, ist völlig neu", sagt Jürgen Carstensen, Mitautor der Publikation. Bei dem Verfahren werde die Oberfläche eines Metalls in eine Halbleiterschicht umgewandelt, die chemisch geätzt und gezielt verändert werden kann. "Wir haben damit ein Verfahren entwickelt, das Metalle im Gegensatz zu anderen Ätzverfahren nicht schädigt und ihre Stabilität nicht angreift", betont Rainer Adelung, der am Institut für Materialwissenschaft die Arbeitsgruppe "Funktionale Nanomaterialien" leitet. "So können wir Metalle dauerhaft verbinden, die bisher nicht direkt miteinander verbunden werden konnten, zum Beispiel Kupfer und Aluminium."

Materialeigenschaften ändern sich nur an der Oberfläche

Ein Metall besteht normalerweise nicht aus einem einzigen Kristall, sondern aus einzelnen kristallinen Bereichen, die als Kristallite oder Körner bezeichnet werden. "Diese haben typischerweise Größenordnungen von einigen Mikrometern bis hin zu einigen Zehntel Millimetern, können aber in Einzelfällen auch größer sein." ("Mechanisches Verhalten der Werkstoffe", Seite 14). Hier setzen die Kieler Forscher an: Die Oberfläche von Metallen besteht aus vielen verschiedenen Kristallen und Körnern, von denen einige chemisch weniger stabil sind als andere. Diese instabilen Partikel können nun offenbar mit dem Ätzverfahren sehr gezielten aus der Oberfläche des Metalls herausgelöst werden. Die oberste Schicht wird auf diese Weise aufgeraut, es entsteht eine dreidimensionale Oberflächenstruktur. Die Eigenschaften der Oberfläche verändern sich, nicht aber die des gesamten Metalls. Denn geätzt wird nur 10 bis 20 Mikrometer tief – eine Schicht, so dünn wie ein Viertel eines Haardurchmessers.

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Das Kieler Forschungsteam nennt das Verfahren daher "nanoscale-sculpturing". Durch das Ätzverfahren entsteht eine 3D-Oberfläche mit kleinen Haken. Wird dann etwa ein verbindendes Polymer zwischen zwei bearbeiteten Metallen aufgebracht, verhaken sich die Oberflächen der Metalle wie ein dreidimensionales Puzzleteil in alle Richtungen miteinander. "Diese 3D-Puzzleverbindungen sind praktisch nicht zu lösen. In unseren Versuchen riss eher das Metall oder das Polymer, aber nicht die Verbindungsstelle", sagt Melike Baytekin-Gerngroß, Erstautorin der Veröffentlichung.


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