Universität Konstanz: Aus Nanokristallen aufgebaut - Ultradünne Polyethylen-Filme

Schichten aus Kunststoff, viel dünner als ein Haar - solche ultradünnen Polymer-Filme sind von hohem wissenschaftlichem und technischem Interesse, z.B. im Bereich der Schutzbeschichtungen. Ein Forscherteam um Stefan Mecking von der Universität Konstanz (www.chemie.uni-konstanz.de/agmeck/) hat nun eine neue Methode entwickelt, um hauchfeine Schichten herzustellen. Wie er in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" (http://presse.angewandte.de, Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V., www.gdch.de) berichtet, bauen die Wissenschaftler die Filme aus einzelnen, vorgefertigten Nanokristall-Bausteinen auf.

Die konventionelle Methode zur Herstellung ultradünner Polymer-Filme, das heißt von Schichten mit einer Dicke von weniger als 0,1 µm, geht von einer verdünnten Lösung des Polymers in einem organischen Lösungsmittel aus, die auf einen Träger aufgebracht wird. Um die kristalline Ordnung des festen Polymers aufzubrechen und es erst einmal in Lösung zu bringen, sind meist hohe Temperaturen nötig. Erst während das Lösungsmittel entfernt oder gekühlt wird, stellt sich die kristalline Ordnung der Schicht ein.

Mecking und seine Mitstreiter wählten einen völlig anderes Konzept, das bei Raumtemperatur abläuft und ohne organische Lösungsmittel auskommt. Kunststoff der Wahl war Polyethylen (PE), ein chemisch einfach aufgebautes Polymer mit einem breiten Spektrum technischer Anwendungen, die von Folien und Verpackungsmaterial bis zu technischen Bauteilen oder Implantaten reichen. PE ist physiologisch unbedenklich und umweltfreundlich - aber bisher nur schwer in Form ultradünner Filme herstellbar.

Durch die katalytische Polymerisation von Ethylen an Nickel-Komplexen erhält man wässrige Dispersionen kristalliner Polymerteilchen. Es handelt sich dabei um einzelne, getrennt vorliegende Einkristalle aus einer kristallinen Lamelle von etwa 25x6 nm, die von einer 1 nm dicken amorphen (nichtkristallinen) Schicht umgeben ist. Amorphe Bereiche auf der Oberfläche sind eine typische Erscheinung bei Polymer-Kristallen. Tröpfchen dieser wässrigen Dispersion werden auf Glasträger gegeben und bei 2000 Umdrehungen pro Minute geschleudert (Schleuderbeschichtung). Überschüssige Flüssigkeit wird dabei weggeschleudert, übrig bleibt ein hauchfeiner gleichmäßiger Film von 50 nm Dicke.

Erfolgsgeheimnis der attraktiven Herstellmethode sind die amorphen Bereiche um die Einkriställchen in Kombination mit der geringen Größe der Kriställchen. Obwohl die amorphen Bereiche nur einen geringen Volumenanteil der Partikel ausmachen, wechselwirken sie sehr intensiv miteinander und halten so die einzelnen Partikel als Film fest zusammen.

Universität Konstanz, Konstanz

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