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Nr. 89, 28.01.2017  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE  Feedback 

Klebt nicht, gibt's nicht!

Seit der Veröffentlichung ihres innovativen Verfahrens klopft die Welt bei einem Team der Kieler Materialwissenschaft an. Denn sie verbinden Dinge, die sich eigentlich nicht verbinden lassen, Aluminium und Silikon zum Beispiel.


Mit einem Ätzverfahren werden Teile aus der obersten Metallschicht gelöst. Es entsteht eine 3D-Struktur, die sich unlösbar mit dem Klebstoff verhakt. Illustration: Holly McKelvey

Mit dieser Resonanz auf ihre Entdeckung hatte die vierköpfige Forschungsgruppe der Kieler Universität nicht im Traum gerechnet: Täglich bekommen die Beteiligten Anfragen von Firmen, darunter Weltmarktführer und DAX-notierte Unternehmen. Sie alle interessieren sich für das Kieler Nanoscale-Sculpturing, ein Ätzverfahren, durch das sich Metalle mit nahezu allen Materia­lien, auch Kunststoffen, dauerhaft verbinden lassen – bisher war dies nicht möglich.

»So etwas ist mir in 25 Jahren an der Uni noch nie passiert. Die Menge an E-Mails dazu ist kaum zu bewältigen«, sagt Dr. Jürgen Carstensen aus der Arbeitsgruppe »Funktionale Nano­materialien«. Aber das Interesse ist verständlich. Denn das Verfahren eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten: Die Metalle können nicht nur »Superverbindungen« eingehen, son­dern werden auch wasserabweisend und – in Form von Implantaten – verträglicher für den mensch­lichen Körper.

Doktorandin Melike Baytekin-Gern­groß forscht am Ätzverfahren für Metalle. Foto: Siekmann

»Viele Anfragen kommen aus Anwendungsbereichen, an die wir noch gar nicht gedacht haben«, sagt Melike Baytekin-Gern­groß, Hauptautorin der Forschungspublikation über die Ätz­methode. Auf der wichtigsten internationalen Elektro­chemie-Tagung PRiME (Pacific Rim Meeting) erhielt die Doktorandin der Materialwissenschaft 2016 einen Preis für die Präsentation des Forschungsprojekts, den »Best Student Talk Award«.

Die Konzepte, auf denen Nanoscale-Sculpturing basiert, nutz­te die Forschungsgruppe schon zum Ätzen von Halbleitern, aber für Metalle hatte das bisher noch niemand angewendet. Die Metalloberfläche wird hierbei in eine Halbleiterschicht umge­wan­delt und anschließend chemisch geätzt. »Unsere Methode greift die Stabilität des Metalls aber nicht an«, sagt Rainer Adelung, Professor für Funktionale Nanomaterialien. Denn es wird lediglich die oberste, sehr dünne Schicht aufgeraut. Gerade einmal 10 bis 20 Mikrometer tief – so dünn wie ein Viertel eines Haardurchmessers – reicht die Veränderung ins Metall hinein.

Doch wie lassen sich mit einem Ätzverfahren nahezu unlösbare Metallverbindungen herstellen? Metalle bestehen aus verschiedenen Kristallen und Körnern, von denen einige weniger stabil sind als andere. Mit dem chemischen Ätzverfahren werden fast alle instabilen Körner aus der obersten Schicht des Metalls gelöst. Eine dreidimensionale Oberfläche entsteht. »Wir lassen der Chemie einfach etwas mehr Zeit«, erklärt Carstensen den Unterschied zu anderen Ätzverfahren.

Unter einem Rasterelektronenmikroskop mit 10.000-facher Vergrößerung ist eine verwinkelte Struktur mit kleinen reinen Metallen kleinen Haken zu sehen, die wie bei einem Puzzle ineinander greifen. »Wird Kleber dazwischengefüllt, sind diese 3D-Puzzle-Verbindungen praktisch nicht zu lösen«, sagt Baytekin-Gerngroß.

Unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigt sich die Puzzlestruktur der geätzten Oberfläche.
Foto: Baytekin-Gerngroß

Um zu testen, bei welcher Belastung die Verbindungen reißen, rauten die Forscherinnen und Forscher mit ihrem Ätzverfahren zwei Aluminiumplatten auf und verbanden sie mithilfe von norma­lerweise nur schlecht haftendem Silikon. Ein Ende befestigten sie an der Decke des Labors und baten eine Kollegin, sich ans andere Ende zu hängen – die Verbindung hielt weiterhin stand. »In unseren Versuchen brach eher das Material selbst, nicht aber die Verbindung«, so Baytekin-Gerngroß. »Es gibt dafür nicht einmal eine DIN-Norm. Wir erreichen langsam das Ende der normalen Messtechnik«, ergänzt Carstensen.

Das chemische Ätzverfahren lässt Metalle nicht nur bisher unmögliche Verbindungen eingehen. Auch ihre Eigenschaften verändern sich: Die Hakenstruktur der Oberfläche wirkt wie ein eng ineinander verkeiltes 3D-Labyrinth, in das Wasser nicht eindringen kann – ein eingebauter Korrosionsschutz. »Ein Lotuseffekt bei reinen Metallen ohne Auftragen einer wasserabweisenden Extra-Schicht, das ist völlig neu«, zeigt sich Adelung erstaunt.

»Die Anwendungsmöglichkeiten dieses Verfahrens sind unglaublich breit: Von metallverarbei­ten­der Industrie wie Schiff- oder Luftfahrt über Drucktechnik und Brandschutz bis zu Medizin­tech­nik«, sagt Dr. Mark-Daniel Gerngroß. Für Implantate wird zum Beispiel häufig Titan verwendet. Zugesetztes Aluminium erhöht ihre mechanische Festigkeit, kann allerdings unerwünschte Neben­wirkungen im Körper auslösen. Mit dem Nanoscale-Sculpturing-Verfahren können Alumini­um­partikel aus der obersten Titanschicht entfernt werden. So entsteht eine deutlich reinere Oberfläche. »Das Material ist damit für den Körper viel verträglicher, ohne dass seine Festigkeit im Ganzen eingeschränkt wird«, erklärt Carstensen.

Mehrere Patente haben die Kieler Forschenden eingereicht und auch rund 20 Kooperationen mit Firmen stehen bereits fest – bei den zahlreichen Anfragen könnten es noch mehr werden.

Julia Siekmann
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