Materialen die tegelijkertijd contrasterende eigenschappen hebben, bijvoorbeeld ze zijn aan de ene kant zacht en aan de andere kant hard, met een geleidelijke overgang tussen de twee eigenschappen—zou volledig nieuwe toepassingen mogelijk kunnen maken, zoals antireflecterende lenzen. In de natuur, dergelijke samenvoegingseigenschappen zijn inderdaad gebruikelijk, bijvoorbeeld in mosselen of in het menselijk oog. Materiaalwetenschappers van de Universiteit van Kiel gebruiken dit principe om nieuwe materialen op nanoschaal te ontwikkelen. Ze zijn er nu in geslaagd ultradunne copolymeerfilms te produceren met zulke geleidelijk variërende eigenschappen. Als multifunctionele coatings, ze kunnen complexe optische en elektronische toepassingen in miniatuurformaat mogelijk maken, bijvoorbeeld voor micro-elektronica. Hun resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Materialen vandaag en stond ook op het voorblad van het nummer.

Materiaaleigenschappen geïnspireerd door de natuur

Mosselen kunnen zo stevig aan stenen of steigers hechten dat ze door de zeestroming niet kunnen worden losgemaakt. Om ervoor te zorgen dat het zachte weefsel in de mosselschelp stabiel aan het harde oppervlak van een steen kan hechten, mosselen vormen elastische hechtdraden, bijvoorbeeld, die tegen het einde steeds moeilijker worden. Dit komt door het mengsel van eiwitten dat gelijkmatig verandert van het ene uiteinde naar het andere in de vezel.

Op basis van dit principe uit de natuur, materiaalwetenschappers in Kiel ontwikkelen unieke dunne materialen met vergelijkbare samensmeltende eigenschappen, zogenaamde gradiënt dunne films. "Om dit te behalen, we combineren twee materialen met verschillende eigenschappen op nanoniveau, ", legt Stefan Schröder uit. Hij is de eerste auteur van het onderzoek en promoveert momenteel aan de leerstoel voor multicomponentmaterialen. Het onderzoek toont voor het eerst een manier om gradiënten als ultradunne polymeerfilms te synthetiseren. Schröder en zijn collega's combineerden polytetrafluorethyleen (PTFE, beter bekend onder de handelsnaam "Teflon") met het polymeer PV3D3. De resulterende materiaalcombinatie kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, vliegtuigen te coaten, koelkasten, of glazen fronten om ze gemakkelijker te ontdooien.

Voor dit doeleinde, Schröder en zijn collega's maakten gebruik van de verschillende eigenschappen van de twee polymeren:Teflon staat niet alleen bekend om zijn antikleefeigenschappen, het oppervlak is ook hydrofoob. Daarom rollen waterdruppels idealiter direct af of bevriezen ze slechts licht, wat het ook gemakkelijker maakt om ijs te verwijderen. Maar Teflon zelf is moeilijk aan te brengen op andere ondergronden. PV3D3 wordt daarentegen gekenmerkt door goede hechtingseigenschappen. Door de twee materialen geleidelijk op nanoniveau te combineren, het onderzoeksteam kon hen in een soepele overgang vergezellen. Aan de ene kant, de band is bijzonder goed, en aan de andere kant, verschillende eigenschappen blijven behouden. Het resultaat is een coatingmateriaal met een waterafstotende bovenzijde en een goed hechtende onderzijde.

Dunne polymeercoatings - niet zo gemakkelijk te produceren

Maar oppervlakken gecontroleerd coaten met polymeren is niet zo eenvoudig. Er zijn reeds gevestigde dampafzettings- of sputterprocessen voor het coaten met metalen of keramische materialen, die ook al tientallen jaren op grote industriële schaal worden gebruikt. Echter, polymeren kunnen niet eenvoudig worden verdampt of verstoven zonder ontleding. De Amerikaanse wetenschapper Karen K. Gleason biedt een remedie met de geïnitieerde chemische dampafzetting (iCVD)-techniek die ze halverwege de jaren negentig ontwikkelde aan het Massachusetts Institute of Technology MIT, waar Schröder in 2017 een onderzoeksverblijf doorbracht.

"In dit proces, een gas wordt samen met een initiatorgas toegevoerd aan een reactiekamer waarin zich een substraatoppervlak bevindt. Warmte zorgt ervoor dat de chemische bindingen van de initiator breken en een kettingreactie begint, " legt promotor professor Franz Faupel uit, houder van de leerstoel Composite Materials en lid van het onderzoeksgebied KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) bij CAU. Op deze manier, uit de ingebrachte gassen "groeit" een dunne polymeerfilm op het substraatoppervlak.

De materiaalwetenschappers uit Kiel gingen nog een stap verder. Ze gebruikten het iCVD-proces niet alleen om een ​​dunne polymeerlaag te creëren, maar bonden tegelijkertijd ook twee polymeren in een geleidelijke overgang. Na de introductie van het V3D3-monomeer, ze voegden het uitgangsmateriaal voor de PTFE-afzetting toe en verhoogden de concentratie ervan voortdurend. Tegelijkertijd, ze hebben die van V3D3 verlaagd, zodat beide een polymeerfilm op het substraat vormen met een geleidelijke overgang van een puur PV3D3-polymeer naar een pure PTFE-film vanaf het substraatoppervlak.

Een nieuwe klasse van organische gradiënt nanomaterialen

Tijdens de iCVD-techniek, tal van processen vinden parallel plaats. "Als individuele parameters zoals de substraattemperatuur of de druk van het monomeergas in de reactor worden gewijzigd, het uiteindelijke materiaal krijgt verschillende eigenschappen. Echter, het vinden van de juiste parameters voor de gewenste eigenschappen is zeer complex, " legt Schröder uit. Daarom hij rustte het conventionele iCVD-systeem van hun stoel uit met een vierpolige massaspectrometer met open ionenbron. Het maakt het mogelijk om de processen in de reactiekamer in situ te observeren en om tegelijkertijd de samenstelling van het gasmengsel van de initiator en de twee monomeren aan te passen.

Door deze uiterst nauwkeurige besturing, het onderzoeksteam kon een polymeergradiëntlaag synthetiseren die slechts 21 nanometer dik is. Ter vergelijking:mensenhaar heeft een diameter van ongeveer 50, 000 nanometer. Eerder, alleen macroscopische gradiënten waren mogelijk geweest. "Zo'n dunne gradiëntfilm is praktisch een wereldrecord en vrijwel een nieuwe klasse van organische gradiënt-nanomaterialen, " zegt dr. Thomas Strunskus, een onderzoeksmedewerker in de werkgroep. "Vooral voor toepassingen in de optica, coatings van slechts enkele nanometers zijn cruciaal om de optische eigenschappen van ramen of lenzen niet aan te tasten, bijvoorbeeld.” De eerste projecten met industriële partners uit de coating- en klimaattechnieksector zijn al in voorbereiding.

Mogelijke toepassingen variëren van micro-elektronica en sensoren tot optica en biogeneeskunde

Het in de studie gepresenteerde proces kan ook worden gebruikt om andere polymeercombinaties te realiseren met nieuwe chemische en fysische materiaaleigenschappen. Nanometerdunne polymeerfilms zijn ook interessant, bijvoorbeeld, voor flexibele micro-elektronische componenten en sensoren in MEMS-technologie (micro-elektromechanische systemen) of moleculaire machines die mechanische processen overbrengen naar nanoschaal.

De nu gepubliceerde resultaten zullen ook vloeien in het werk van verschillende onderzoeksverenigingen onder de paraplu van KiNSIS. "Dit zijn fundamentele instrumenten voor materiaalwetenschap. Toepassingen variëren van het verbeteren van de hechting van functionele lagen in sensoren en het ontwikkelen van materialen voor de gecontroleerde afgifte van medicijnen tot moleculaire machines, ’ zegt Faupel.