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Wissen auf der Nanoskala für die Mikroebene nutzen

Bei der Reduzierung der Dimensionen in der Mikrosystemtechnik werden die Rolle von Oberflächen und damit die Kräfte zwischen Oberflächen immer wichtiger. Der Physiker Prof. Dr. Paul Leiderer erforscht mit seinem Team die Haftkräfte von Nano-Partikeln auf verschiedenen Oberflächen und sucht nach neuartigen Verfahren, diese wieder zu entfernen. Im Mittelpunkt stehen hierbei optische, elektrische und mechanische Eigenschaften, wie der Forscher im Interview mit der BIOPRO Baden-Württemberg berichtet.

Zur Untersuchung von Haftkräften kleiner Partikel auf verschiedenen Oberflächen werden Nanostrukturen durch einen intensiven Laserpuls bestrahlt. Dabei entstehen flüssige Tropfen. © AG Prof. Paul Leiderer

Herr Prof. Leiderer, die steigenden Anforderungen an die Systemtechnik wie Miniaturisierung und Erweiterung des Leistungsspektrums sind mit gängigen Methoden und Materialien nicht zu erfüllen. Inwiefern kann die Nanotechnologie hierbei einen Beitrag leisten?

Grundsätzlich halte ich es für sehr schwierig, konkret vorherzusagen, auf welchen Gebieten letztendlich durch Nanotechnologie entscheidende Durchbrüche erfolgen können. Es gibt aber natürlich eine Vielzahl von Beispielen für bereits vorhandenen Einsatz von Nanomaterialien, etwa im Bereich der Materialien durch Nanostrukturierung von Oberflächen, der sattsam bekannte Lotuseffekt, bei Beschichtungen und bei Nanoteilchen für medizinische Anwendungen - etwa im Bereich der Krebstherapie. Dabei geht es meistens zwar um kleine Teilchen, aber in makroskopischer Menge (im Gramm- bis Kilogramm-Bereich). Wir interessieren uns bei unserer Forschung für die Eigenschaften einzelner Teilchen oder Strukturen, die gezielt etwa mit der Elektronenstrahl-Lithographie oder anderen Nanostrukturierungsverfahren hergestellt werden.

Inwiefern hat eine Mikro-Nano-Integration einen Bezug innerhalb Ihrer Forschung?

Die Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnik erfordert ein besseres Verständnis der Bedeutung von Oberflächen und damit der Kräfte zwischen Oberflächen. Zwei Beispiele: die Haftkräfte zwischen kleinen Teilchen und Oberflächen, die meistens durch die sogenannte Van-der-Waals-Wechselwirkung zustande kommen, und die Kapillarkräfte, die auftreten, wenn sich Flüssigkeitstropfen an Oberflächen befinden. Beide Sorten von Kräften sind auch bei makroskopischen Teilchen vorhanden, spielen dort aber im Vergleich etwa zu Reibungs- oder Beschleunigungskräften eine untergeordnete Rolle. In meiner Gruppe untersuchen wir die Haftkräfte kleiner Partikel auf verschiedenen Oberflächen, und wir suchen nach Methoden, wie man sie auf neuartige Weisen entfernen kann. Als Werkzeug dient uns hierbei das sogenannte „Laser Cleaning“, bei dem wir mit gepulsten Laserstrahlen arbeiten. Eine weitere Methode ist die sogenannte Laser-Interferenz-Lithographie, bei der auf einfache Weise mit Hilfe gepulster, überlagerter Laserstrahlen Punkt- und Strichmuster im Sub-Mikrometer-Bereich auf Oberflächen erzeugt werden können. Unsere Forschung hat ebenfalls Bezug zu Anwendungen wie Mikrokontaktstempeln, mit deren Hilfe chemische Muster auf Oberflächen aufgebracht werden können.

Prof. Dr. Paul Leiderer ist Physiker an der Universität Konstanz. © Paul Leiderer

Woraus bestehen diese Mikrokontaktstempel und auf welche Art und Weise werden chemische Muster auf Oberflächen gebracht? Welche Untersuchungen führen Sie hierzu durch und welche Rolle spielen dabei die Monoschichten?

Das Verfahren ist erstaunlich einfach und vergleichbar mit dem Stempeln bei der Post. Allerdings arbeiten wir mit sehr viel kleineren Strukturen und mit speziellen "Tinten", meistens organischen Molekülen, die gut auf der zu strukturierenden Unterlage haften. Die Stempel sind aus einem gummiartigen Polymer und werden durch Abguss von einem "Master" hergestellt. Die chemischen Muster, die sich auf diese Weise etwa auf Glas oder Metall stempeln lassen, ändern lokal das Benetzungsverhalten und können als Ausgangsstrukturen für einfache elektrische Schaltkreise, als Sensoren für Biomoleküle oder auch für das Studium des Zellwachstums dienen. Es ist erstaunlich, dass dieses simple Prinzip auf der Mikrometerskala und sogar darunter noch funktioniert.

Im Mittelpunkt Ihrer Arbeit steht die Untersuchung von optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Oberflächen, dünnen Filmen und Nanostrukturen. Welche Rolle spielt dies im Hinblick auf die Entwicklung einer neuen Klasse von Materialien?

Bei den optischen Eigenschaften geht es vor allem um optische Nahfelder, d.h. die "Lichtintensität" in der unmittelbaren Umgebung von Nanoteilchen, die lokal über tausendmal intensiver sein kann als die eingestrahlte Lichtintensität. Mit geeignet geformten Nanostrukturen, den "optischen Antennen", kann man die Lichtenergie an Oberflächen effizient einfangen und an die Stellen leiten, an denen man mit dem Licht etwas ausrichten möchte. Dazu gehören unter anderem die aktiven Elemente bei Solarzellen. Bei den elektrischen Eigenschaften untersuchen wir den Transport von Ladungen (Elektronen) durch nanoskopische Strukturen und den Einfluss von Licht auf diesen Transport. Dabei geht es gegenwärtig darum, zu studieren, welche neuartigen Effekte auf dieser Längenskala auftreten können - die unmittelbaren Anwendungen sind hier noch in weiterer Ferne. Bei den mechanischen Eigenschaften interessieren uns zum Beispiel die Schwingungen und Resonanzen von Nanostrukturen, ähnlich denen bei einer Stimmgabel. Während aber eine Stimmgabel ihre Schwingung im Bereich der hörbaren Frequenzen ausführt, liegen diese mechanischen Resonanzen bei den Nanostrukturen wegen ihrer Kleinheit bei Frequenzen, die über eine Million mal höher liegen.

Inwiefern könnten neuartige Materialien im Life-Science-Bereich (z.B. für die antibakterielle Ausstattung von Textilien) eine Bedeutung haben?

Man weiß, dass zum Beispiel kleine Silberteilchen eine antibakterielle Wirkung haben. Bei kleinen Goldteilchen hat sich vor einigen Jahren herausgestellt, dass sie ausgezeichnete katalytische Eigenschaften mit sich bringen - das hatte niemand erwartet, weil massives Gold als Katalysator völlig unwirksam ist. Insofern gibt es eventuell auch bei anderen Nanoteilchen Anwendungen im Life-Science-Bereich.

Mithilfe des Rasterkraftmikroskops werden Nanostrukturen aus Gold, die als optische Antennen dienen, sichtbar gemacht. © AG Prof. Paul Leiderer

Sie kooperieren mit anderen Instituten zur Untersuchung chemischer Eigenschaften metallischer Punkte. Können Sie ein konkretes Beispiel geben?

Ein Kontakt besteht mit einem Chemie-Lehrstuhl an der Universität Ulm, bei dem die katalytische Wirkung kleiner Teilchen untersucht wird. Hierzu tragen wir ein Verfahren zur Herstellung der kleinen Teilchen bei. Mit einer Gruppe in Karlsruhe studieren wir Nanokontakte, die in einem Elektrolyten auf elektrochemischem Weg geöffnet und geschlossen werden. Hierbei untersuchen wir den Einfluss von Licht auf den elektrischen Transport in diesen Strukturen.

Wie groß sind die Teilchen, mit denen Sie generell operieren?

Der Bereich der Teilchengrößen reicht von einigen zehn Nanometern (Millionstel Millimetern) bis herauf zu Mikrometern. Die meisten liegen zwischen 50 und 500 Nanometern.

Welche Rolle spielen die von Ihnen zur Untersuchung eingesetzten Laser-Technologien?

Bei uns werden Laser eingesetzt, um Oberflächen im Mikro- und Submikrometerbereich zu strukturieren, um optische Nahfelder zu untersuchen und in ihrer räumlichen Verteilung zu charakterisieren, um Teilchen von Oberflächen zu entfernen, als "optische Pinzetten", um kleine Teilchen zu manipulieren etc. Wir setzen dabei gepulste Laser mit Pulsdauern von Nanosekunden bis herunter zu hundert Femtosekunden ein, aber auch Dauerstrich-Laser. Allerdings betreiben wir selbst keine Laser-Technolgie, sondern setzen die kommerziell verfügbaren Laser nur ein.

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