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Knochen sind leicht und stabil,
weil sie optimal gebaut sind - im kleinen wie im großen: Ihre
kleinsten Elemente verbinden sich zu Fibrillen, die sich zu Lamellen
falten. Diese wiederum ordnen sich zu Balken an, die schließlich ein
Gerüst aufbauen, dessen Netz auch Statiker inspiriert.
Materialwissenschaftler nennen solche Strukturen hierarchisch.
Chemiker des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim an
der Ruhr haben aus Silica-Teilchen jetzt erstmals eine bestimmte
hierarchische Struktur geschaffen. Und das aus einer Reaktionslösung,
in der Silica-Teilchen mit sehr unterschiedlichen Formen wachsen
können. In ihrer Reaktionslösung vermischen sie die Siliziumverbindung
und ein Amin, das einen langen Fettsäureschwanz hinter sich her zieht.
Zunächst schließen sich die Moleküle des Amins zu Mizellen zusammen,
die lange Fäden bilden. An diese lagert sich dann das Silica an.
Tauchen die Wissenschaftler einen unbehandelte Träger, zum Beispiel
eine leicht verunreinigte Glasplatte, in die Lösung, lagern sich die
Teilchen nach dem Zufallsprinzip ab: mal als Kegel, mal als
Doppelkegel, mal als verdrilltes Faserbündel.
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Abb. 1:
Silica-Kegel wachsen pixelartig
auf einem vorbehandelten Substrat. In jedem Kegel bildet das
Silica eine spiralförmige Mesostruktur.
Bild:
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung |
Um das zu ändern, versehen die
Mülheimer Wissenschaftler die Oberfläche mit Ködern für eine bestimmte
Teilchenform: Mit einem winzigen Silikonstempel drucken sie Quadrate
einer methylhaltigen und damit wasserabweisenden Substanz auf das
Glas, das selber Wasser anzieht. Die Kanten der wasserabweisenden
Quadrate messen drei Mikrometer, also drei Tausendstel Millimeter. Die
wasserabweisenden Quadrate wirken wie Kristallisationskeime: Tunken
die Chemiker die bedruckte Glasplatte in die Reaktionslösung, türmt
sich nach knapp drei Tagen auf jedem Quadrat ein kleiner Kegel, der
aus langen Fäden gewickelt ist. Warum sich die Silica-Teilchen
bevorzugt auf den wasserabweisenden Quadrate sammeln, ist nocht nicht
ganz klar."Möglicherweise sammeln sich dort erst die organischen
Mizellen und dann lagert sich das Silica auf den Quadraten ab", sagt
Frank Marlow, der die Forschung leitet.
Indem die Wissenschaftler die
Silica-Partikeln auf die Oberfläche des bedruckten Glases locken,
steuern sie, welche hierarchische Struktur diese letztendlich bilden:
Den ersten Teilchen bleibt nicht viel anderes übrig, als sich in Form
einer Hariboschnecke auf den Träger legen. Indem sich dann Spirale auf
Spirale stapelt, wächst der Kegel. "In der Lösung können sich statt
der Kegel auch Fasern oder andere, ganz wilde Teilchen bilden", sagt
Marlow. Diese Teilchen sind ebenfalls in ganz ähnlicher Weise
hierarchisch strukturiert.
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Abb. 2:
In der hierarschichen Struktur
bestimmt die Anordnung der Kristallisationskeime in der x-y-Ebene
(quaternäre Struktur), wie die globale Singularität g orientiert
ist (Ternäre Struktur). Diese wiederum legt die Richtung a fest,
in der sich die Mizellfäden aufrollen (sekundäre Struktur). Auf
dieser Ebene verhinderte die Methode der Max-Planck-Forscher, dass
sich beispielsweise Fasern (rechts) bilden.
Bild:
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung |
Richtungsweisend für die
wachsenden Kegel ist eine globale Singularität - der Mittelpunkt der
Silica-Spiralen, um den sich die weiteren Silica-Teilchen gruppieren.
"Oft spricht man davon, dass ein Defekt, etwa ein Loch in der
Kristallstruktur, das Wachstum stört", sagt Marlow: "Ich bin
überzeugt, dass das Loch in unserem Fall aber bestimmt, welche
Struktur am Ende herauskommt. Daher habe ich den Begriff der globalen
Singularität geprägt." Diese Selbstorganisation der Teilchen lenken
die Wissenschaftler dann mit den gedruckten Quadraten zu der
gewünschte Überstruktur.
"Auf diese Weise verbinden wir eine bottom-up- und eine
top-down-Technik", sagt Marlow. Von einer bottom-up-Technik sprechen
Materialwissenschaftler, wenn sich Teilchen selbst zu größeren
Strukturen organisieren. "Diese Technik funktioniert im kleinen
Maßstab sehr gut, sie wird aber ungenau, sobald die Strukturen eine
bestimmte Größe erreichen", so Marlow. Beim top-down-Ansatz verteilen
sich Stärken und Schwächen genau umgekehrt: Ihn wenden Chip-Hersteller
an, wenn sie auf Silizium-Wafern mit Fotolack den Plan einer Struktur
zeichnen, die sie anschließend aus dem Halbleiter ätzen. Weil die
Auflösung dieser Methode begrenzt ist, lassen sich solche Strukturen
nicht beliebig verkleinern. Indem die Wissenschaftler um Frank Marlow
Punkte auf das Glas drucken, an denen sich die Silica-Teilchen selbst
organisieren können, verknüpfen sie beide Techniken: Mit den
gedruckten Quadraten im Mikrometer-Bereich steuern sie zum ersten Mal,
was im Nanometer-Maßstab geschieht. So wird es möglich, auch sehr
feine Strukturen zu schaffen. Die Forscher könnten also dazu
beitragen, optische und elektronische Bauteile zu verkleinern. [Her] |
