Funktionelle Oberflächen

Der Forschungsschwerpunkt des Programmbereichs „Funktionelle Oberflächen“ liegt in der Entwicklung von strukturierten Oberflächen mit gezielten mechanischen und adhäsiven Eigenschaften. Das Design solcher Oberflächen ist oftmals an Adhäsionssysteme, wie sie in der Natur vorkommen, oder an biologische Strukturanordnungen angelehnt. Zusätzlich zu biomimetischen Haftsystemen beschäftigt sich der Programmbereich mit biologischen und metallischen Nanokompositen. Der Programmbereich bestand ursprünglich am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart, wo künstliche Haftstrukturen erstmals durch Strukturierung hergestellt wurden. Ein weiteres Augenmerk des Programmbereichs liegt auf der Entwicklung von adhäsiven Oberflächen für Industriepartner (Abb. 1)
Kontakt: Prof. Dr. Eduard Arzt

Biomimetische Haftsysteme

Zusammenhang zwischen Geometrie und adhäsiven Eigenschaften

In der Natur kommt eine Vielfalt von unterschiedlichsten Adhäsionssystemen vor, die den derzeitigen künstlichen Adhäsionssystemen weit überlegen sind. Eine Schlüsseleigenschaft für kontrollierte Adhäsion in biologischen Systemen ist die Ausbildung von haarähnlichen Strukturen (“Pillar-Strukturen“) im Mikro- und Nanometer-Bereich. Unter den vielen Organismen, die sich solche Oberflächenstrukturen zu Nutze machen, sind vor allem Geckos ins Zentrum des Interesses gerückt, da sie die größten und schwersten Lebewesen sind, die an unterschiedlichsten Oberflächen haften können. Ihr hochentwickeltes Adhäsionssystem besteht aus hierarchisch aufgebauten Fibrillen. Diese Fibrillen verzweigen sich zur Kontaktfläche hin und enden mit kleinen abgewinkelten Plättchen (Spatulae). Trotz des wachsenden wissenschaftlichen Interesses sind viele Details des Kontakt- und Kontaktablösungsvorgangs bisher nicht verstanden. Zum tieferen Verständnis der zu Grunde liegenden Prinzipien natürlicher Haftsysteme untersucht der Programmbereich Zusammenhänge zwischen der Strukturgeometrie und adhäsiven Eigenschaften in künstlichen Haftsystemen. Dazu werden Modellstrukturen hergestellt, um den Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Adhäsion des Haftsystems zu untersuchen, wie beispielsweise Strukturdimensionen, Kontaktgeometrie, Oberflächenchemie und mechanische Eigenschaften der Strukturen (Steifigkeit, Viskoelastizität) (Abb. 2)
Kontakt: Elmar Kroner, Graciela Castellanos

Schaltbare Adhäsionssysteme

Die Zusammenhänge zwischen Geometrie und Adhäsion weisen den Weg zu neuen biomimetischen Haftsystemen. Ein wesentlicher Punkt für unsere Gruppe sind schaltbare Systeme, die mittels Temperatur, magnetischen Feldern, Licht oder akustischen Wellen reversibel zwischen adhäsivem und nicht-adhäsivem Zustand umgeschaltet werden können. Durch eine Kombination aus unterschiedlichen Strukturierungsmethoden, wie zum Beispiel Photolithographie, reaktives Ionen-Ätzen und Soft Moulding, können wir schaltbare Fibrillen mit hochentwickelter Topographie herstellen. Die adhäsiven Eigenschaften werden mit einem speziell gebauten Adhäsionsmessgerät bestimmt.
Kontakt: Dadhichi Paretkar, Marleen Kamperman

Biomedizinische Anwendungen

In der Regel werden künstliche Haftsysteme gegen flache und steife Substrate getestet. Um diese Haftsysteme auch für biomedizinische Anwendungen zugänglich zu machen, müssen sie jedoch auf weichen Substraten haften. Daher messen wir die Haftsysteme in vitro gegen weiche Proben mit komplexen viskoelastischen Eigenschaften. In Zusammenarbeit mit der Universität des Saarlandes in Homburg (Abteilung für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde) werden dazu Einflüsse der Pillargeometrie, Oberflächenchemie und Steifigkeit auf die Adhäsion künstlicher Haftsysteme auf Haut oder Schleimhaut untersucht (Abb. 3)
Kontakt: Jessica Kaiser,
Marleen Kamperman

Großflächige Oberflächenstrukturierung

Künstliche Haftsysteme können wirtschaftlich nur genutzt werden, wenn sie großflächig und kostengünstig produziert werden können. Aus diesem Grund untersuchen wir in Zusammenarbeit mit den Programmbereichen Optische Materialien und Nanomere Herstellungsmethoden zur großflächigen Mikrostrukturierung, die eine kostengünstige Produktion von künstlichen Haftsystemen ermöglichen. Das Leibniz-Institut für Neue Materialien ist für Pilot-Anlagen zur Herstellung solcher Oberflächen ausgezeichnet ausgerüstet – sowohl für passive, wie auch für schaltbare Strukturen. So hergestellte Haftsysteme haben ein großes Potential für Anwendungen, die von der Mikrofabrikation bis hin zu medizinischen Anwendungen reichen (Abb. 4)
Kontakt: Peter Oliveira, Carsten Becker-Willinger

Untersuchung biologischer funktioneller Oberflächen

Zahnschmelz ist der äußere Teil von Zähnen und das härteste mineralisierte Gewebe im menschlichen Körper. Wie bei den meisten biologischen Materialien weist auch Zahnschmelz eine hierarchische Struktur auf, die selbst unter schwierigen mechanischen und Umgebungsbedingungen zu gutem Verschleißverhalten führt. In Zusammenarbeit mit dem Krankenhaus der Universität des Saarlandes (Abteilung für Zahnerhaltung, Parodontologie und Präventive Zahnheilkunde) in Homburg untersuchen wir die mechanischen Eigenschaften von Zahnschmelz im Nanometer- und Mikrometerbereich. Dazu werden Nano- und Mikroindentation, Raster-Kraft-Mikroskopie und Raster-Elektronen-Mikroskopie sowie weitere Techniken verwendet. Ziel der Untersuchungen ist die Entwicklung eines Konzepts, um die Eigenschaften von Zahnschmelz auf künstliche Nanokomposite zu übertragen.
Kontakt: Griselda Guidoni

Strukturierte Metallische Nanokomposite

Um das gesamte Entwicklungspotential der Mikro- und Nano-Technologie auszuschöpfen, wird das mechanische Verhalten von Werkstoffen bei einer Verfeinerung der inneren Mikrostruktur oder der äußeren Dimensionen auf den Submikrometer-Bereich untersucht. Ein besonderes Interesse gilt dabei den strukturierten metallischen Legierungen, um ein besseres Verständnis der Verfestigungsmechanismen kristalliner Materialien bei Miniaturisierung zu erlangen. Der Fokus bei den Untersuchungen liegt dabei vor allem auf nanoskaligen Werkstoffen. Dazu wird der Einfluss homogen verteilter Versetzungshindernisse bei Probenverkleinerung in den Nanometerbereich untersucht (Abb. 5)
Kontakt: Baptiste Girault , Andreas Schneider