Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (Kopie 2)

Zwischen Chemie, Physik und Biologie auf der Spur der Selbstorganisation

Die Arbeitsgruppe von Thomas Fuhrmann-Lieker gehört zum Fachgebiet Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien. Dort wird an der Schnittstelle der naturwissenschaftlichen Disziplinen daran geforscht, wie Materialien sich auf der Nanometerskala organisieren können, um diese Strukturen in möglichen Anwendungen nutzen zu können. Der Standort Kassel sei für seine Forschung eine ideale Arbeitsumgebung, erklärt Thomas Fuhrmann-Lieker, da die räumliche Nähe zu den Fachgebieten der Physik und Biologie, aber auch zu den Ingenieurwissenschaften einen intensiven Austausch ermögliche.

Die Prinzipien der Selbstorganisation

Wenn man Materialien zu einem Bauteil, beispielsweise eine Solarzelle oder eine Leuchtdiode, zusammensetzt, ist die Struktur weit entfernt von dem, was die Physikochemiker als Gleichgewicht bezeichnen. Es wirken Kräfte, die die Struktur verformen würden, wenn die Materialien diesen Kräften nachgäben. In diesem Zusammenhang sind vor allem Bauteile aus „weicher Materie“ interessant, da wie der Name schon sagt, diese Materialien besonders leicht verformbar sind. Mit „weicher Materie“ bezeichnet man im Prinzip alles, was nicht gasförmig oder ein kristalliner Festkörper ist, also zum Beispiel Flüssigkeiten, Polymere (Kunststoffe), Gele, Dispersionen, große Biomoleküle und Flüssigkristalle (aus denen LC-Displays bestehen).

Das Überraschende ist, dass auf dem Weg von einem Nichtgleichgewichtszustand in einen stabileren Zustand spontan geordnete Strukturen entstehen können, die faszinierende regelmäßige Muster aufweisen.

Prinzip des Aufwellens („Wrinkling“)

Selbstfaltung in dünnen Schichten

Ein Beispiel, das in der Arbeitsgruppe untersucht wird, ist das spontane „Falten“ von dünnen Schichten, die aus einem „weichen“ Material zwischen einem festen Substrat und einer elastischen Deckschicht bestehen. Normalerweise ist nach der Herstellung der Schichten durch moderne Beschichtungstechniken das mittlere Material hinreichend fest, so dass alle Grenzflächen eben sind. Macht man aber das mittlere Material weich, zum Beispiel durch Erwärmen oder, mit neuen, von Thomas Fuhrmann-Lieker entwickelten Materialien, durch Bestrahlung mit Licht, so sorgen die vorhandenen Spannungen für ein Aufwellen der Schichten, und zwar verblüffenderweise in absolut regelmäßigen Lamellen. Das Aufwellen von Platten, so Fuhrmann-Lieker, sei zwar schon seit langem ein Problem der Mechanik und finde sich auch beispielsweise in der Runzelbildung von Haut, aber die Nanoskala sei hier absolutes Neuland, da die makroskopischen Voraussagen an deutliche Grenzen treffen. Erst seit der Verbreitung des Rasterkraftmikroskopes ist es möglich, derartige Strukturen überhaupt zu charakterisieren.

Das Glashaus der Kieselalgen

Ähnliche Prozesse der Selbstorganisation finden sich auch in völlig anderen Gebieten, zum Beispiel in der Formbildung von biologischen Strukturen, der sogenannten Morphogenese. Vor wenigen Jahren wurde das Entstehen der filigranen Zellwand von Diatomeen (Kieselalgen) aus Kieselsäure mit dem Auftreten von Instabilitäten und periodischen Trennungen von wasser- und ölhaltigen Bestandteilen erklärt. Damit seien die Algen in der Lage, durch möglichst wenig genetische Kontrolle regelmäßige Porenmuster in ihrer Zellwand aus Glas zu erzeugen. Auch wenn dieses Modell seine Grenzen hat, so ist doch gesichert, dass organische Bestandteile beim Aufbau der Struktur eine große Rolle spielen. Fuhrmann-Lieker geht hier noch einen Schritt weiter: Durch gezielte Zugaben von speziell funktionalisierter Moleküle bei der Zucht der Algen werden diese in die Schale eingelagert, so dass neuartige Kompositmaterialien mit selbstorganiserten Nanostrukturen entstehen. „Der Schritt in die Biologie war für einen Physikochemiker und Materialwissenschaftler erst einmal nicht leicht“, so Fuhrmann-Lieker, „aber durch das Umfeld des CINSaT und Frau Dr. Kucki als kompetente Mitarbeiterin aus der Biologie konnten wir diesen Schritt gehen“. Dieses Forschungsprojekt erregte bisher einige Aufmerksamkeit in den Medien, so wurde beispielsweise im WDR-Magazin Quarks&Co. darüber berichtet.

Anwendungen in der Photonik

Das Faszinierende dieser selbstorganisierten Strukturen liegt darin, dass ihre Periodizität im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes liegt. Folglich lässt sich damit Licht steuern, und die Arbeitsgruppe versucht, diesen Effekt auszunutzen. Eine Hauptzielrichtung ist dabei die Photovoltaik, da das Einfangen von Licht durch lichtstreuende Strukturen die Effizienz von Solarzellen verbessern kann. Durch eine effiziente Einkopplung von Licht und das effektive Trennen von Ladungen an inneren Grenzflächen lassen sich mit selbstorganisierenden Strukturen zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. „Wer weiß, vielleicht nutzen ja auch die Kieselalgen, die wir als Biologische Photonische Kristalle bezeichnen, ihre Struktur zur Optimierung der Photosynthese“, spekuliert Fuhrmann-Lieker. „Wahrscheinlich lässt sich das nicht endgültig klären, aber wir können jedenfalls viel davon lernen, wie die Natur ihre Bausteine selbst organisiert.“



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apl Professor Thomas Fuhrmann-Lieker

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