Material som samtidigt har kontrasterande egenskaper, t.ex. de är mjuka å ena sidan och hårda å andra sidan, med en gradvis övergång mellan de två egenskaperna – skulle kunna möjliggöra helt nya applikationer som antireflekterande linser. I naturen, sådana sammanslagna egenskaper är verkligen vanliga, till exempel i musslor eller i det mänskliga ögat. Materialforskare vid Kiel University har använt denna princip för att utveckla nya material på nanoskala. De har nu lyckats framställa ultratunna sampolymerfilmer med så successivt varierande egenskaper. Som multifunktionella beläggningar, de skulle kunna tillåta komplexa optiska och elektroniska tillämpningar i miniatyrformat, till exempel för mikroelektronik. Deras resultat publicerades nyligen i tidskriften Material idag och även med på försättsbladet till numret.

Materialegenskaper inspirerade av naturen

Musslor kan fästa så hårt på stenar eller bryggor att de inte kan lossna av havsströmmen. För att den mjuka vävnaden inuti musselskalet ska hamna stabilt till den hårda ytan av en sten, musslor bildar elastiska limtrådar, till exempel, som blir ständigt svårare mot slutet. Detta beror på blandningen av proteiner som ändras jämnt från ena änden till den andra i fibern.

Baserat på denna princip från naturen, materialforskare i Kiel utvecklar unika tunna material med liknande sammanslagningsegenskaper, så kallade gradienttunna filmer. "För att uppnå detta, vi kombinerar två material med olika egenskaper på nanonivå, " förklarar Stefan Schröder. Han är den första författaren till studien och doktorerar för närvarande vid Chair for Multicomponent Materials. Studien visar ett sätt att syntetisera sådana gradienter som ultratunna polymerfilmer för första gången. Schröder och hans kollegor kombinerade polytetrafluoreten (PTFE, mer känd under handelsnamnet "Teflon") med polymeren PV3D3. Den resulterande materialkombinationen kan användas, till exempel, att belägga flygplan, kylskåp, eller glasfronter för att göra dem lättare att avisning.

För det här syftet, Schröder och hans kollegor drog fördel av de olika egenskaperna hos de två polymererna:Teflon är inte bara känt för sina non-stick egenskaper, dess yta är också hydrofob. Därför rullar vattendroppar helst av omedelbart eller fryser endast något, vilket också gör det lättare att ta bort is. Men teflon i sig är svårt att applicera på andra ytor. PV3D3 å andra sidan kännetecknas av goda vidhäftningsegenskaper. Genom att gradvis kombinera de två materialen på nanonivå, forskargruppen kunde ansluta sig till dem i en smidig övergång. Å ena sidan, bandet är särskilt bra, och å andra sidan, olika egenskaper behålls. Resultatet är ett beläggningsmaterial med en vattenavvisande ovansida och en väl vidhäftande undersida.

Tunna polymerbeläggningar - inte så lätt att tillverka

Men att belägga ytor med polymerer på ett kontrollerat sätt är inte så lätt. Det finns redan etablerade ångavsättnings- eller förstoftningsprocesser för beläggning med metaller eller keramiska material, som också har använts i stor industriell skala i decennier. Dock, polymerer kan inte bara förångas eller förstoftas utan sönderdelning. Den amerikanska forskaren Karen K. Gleason ger ett botemedel med den initierade kemiska ångavsättningstekniken (iCVD) som hon utvecklade i mitten av 1990-talet vid Massachusetts Institute of Technology MIT, där Schröder tillbringade en forskningsvistelse 2017.

"I denna process, en gas matas tillsammans med en initiatorgas in i en reaktionskammare i vilken en substratyta är belägen. Värme gör att initiatorns kemiska bindningar bryts och en kedjereaktion börjar, " förklarar doktorandhandledare professor Franz Faupel, innehavare av ordförandeskapet för kompositmaterial och medlem av forskningsområdet KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) vid CAU. Den här vägen, en tunn polymerfilm "växer" på substratytan från de införda gaserna.

Materialforskarna från Kiel gick ett steg längre. De använde iCVD-processen inte bara för att skapa ett tunt polymerskikt utan samtidigt bundna två polymerer i en gradvis övergång. Efter att ha introducerat V3D3-monomeren, de tillsatte utgångsmaterialet för PTFE-avsättningen och ökade kontinuerligt dess koncentration. På samma gång, de sänkte den för V3D3, så att båda bildar en polymerfilm på substratet med en gradvis övergång från en ren PV3D3-polymer till en ren PTFE-film utgående från substratytan.

En ny klass av organiska gradient nanomaterial

Under iCVD-tekniken, många processer sker parallellt. "Om enskilda parametrar som substrattemperaturen eller trycket på monomergasen i reaktorn ändras, det slutliga materialet får olika egenskaper. Dock, att hitta rätt parametrar för de önskade egenskaperna är mycket komplicerat, " förklarar Schröder. Därför han utrustade det konventionella iCVD-systemet i deras stol med en fyrpolig masspektrometer med öppen jonkälla. Det möjliggör observation av processerna i reaktionskammaren in situ och att justera sammansättningen av gasblandningen av initiatorn och de två monomererna samtidigt.

På grund av denna högprecisionskontroll, forskargruppen kunde syntetisera ett polymergradientskikt som bara är 21 nanometer tjockt. Som jämförelse:människohår har en diameter på cirka 50, 000 nanometer. Tidigare, endast makroskopiska gradienter hade varit möjliga. "En sådan tunn gradientfilm är praktiskt taget världsrekord och praktiskt taget en ny klass av organiska gradientnanomaterial, " säger Dr Thomas Strunskus, en forskarassistent i arbetsgruppen. "Särskilt för applikationer inom optik, beläggningar på bara några få nanometer är avgörande för att inte försämra de optiska egenskaperna hos fönster eller linser, till exempel." De första projekten med industriella partners från beläggnings- och luftkonditioneringstekniksektorn är redan under förberedelse.

Möjliga tillämpningar sträcker sig från mikroelektronik och sensorer till optik och biomedicin

Processen som presenteras i studien kan också användas för att realisera andra polymerkombinationer med nya kemiska och fysikaliska materialegenskaper. Nanometertunna polymerfilmer är också intressanta, till exempel, för flexibla mikroelektroniska komponenter och sensorer i MEMS-teknik (mikroelektromekaniska system) eller molekylära maskiner som överför mekaniska processer till nanoskalan.

De nu publicerade resultaten kommer också att flöda in i flera forskningsförbunds arbete under KiNSIS paraply. "Detta är grundläggande verktyg för materialvetenskap. Tillämpningar sträcker sig från att förbättra vidhäftningen av funktionella skikt i sensorer och att utveckla material för kontrollerad frisättning av läkemedel till molekylära maskiner, säger Faupel.