Nano-coatings met veel functies

Materialen die tegelijkertijd contrasterende eigenschappen hebben – ze zijn bijvoorbeeld zacht aan de ene kant en hard aan de andere kant, met een geleidelijke overgang tussen de twee eigenschappen – kunnen volledig nieuwe toepassingen mogelijk maken, zoals antireflecterende lenzen. In de natuur komen dergelijke samensmeltende eigenschappen inderdaad veel voor, bijvoorbeeld in mosselen of in het menselijk oog. Materiaalwetenschappers van de Kiel University hebben dit principe gebruikt om nieuwe materialen op nanoschaal te ontwikkelen. Ze zijn er nu in geslaagd ultradunne copolymeerfilms te produceren met dergelijke geleidelijk variërende eigenschappen. Als multifunctionele coatings zouden ze complexe optische en elektronische toepassingen in miniatuurformaat mogelijk kunnen maken, bijvoorbeeld voor micro-elektronica. Hun resultaten zijn onlangs in het tijdschrift gepubliceerd Materialen vandaag en stond ook op de voorpagina van het nummer.

Materiaaleigenschappen geïnspireerd door de natuur

Mosselen kunnen zo stevig aan stenen of steigers hechten dat ze niet los kunnen komen door de zeestroming. Om het zachte weefsel in de mosselschelp stabiel aan het harde oppervlak van een steen te laten aanmeren, vormen mosselen bijvoorbeeld elastische hechtdraden die naar het einde toe steeds harder worden. Dit komt door het mengsel van eiwitten dat gelijkmatig van het ene uiteinde naar het andere in de vezel verandert.

Op basis van dit principe uit de natuur ontwikkelen materiaalwetenschappers in Kiel unieke dunne materialen met vergelijkbare samensmeltende eigenschappen, zogenaamde gradiëntdunne films. “Om dit te bereiken, combineren we twee materialen met verschillende eigenschappen op nanoniveau”, legt Stefan Schröder uit. Hij is de eerste auteur van de studie en doet momenteel zijn Ph.D. bij de leerstoel voor Multicomponent Materials. De studie toont een manier om dergelijke gradiënten voor het eerst te synthetiseren als ultradunne polymeerfilms. Schröder en zijn collega’s combineerden polytetrafluorethyleen (PTFE, beter bekend onder de handelsnaam “Teflon”) met het polymeer PV3D3. De resulterende materiaalcombinatie zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om vliegtuigen, koelkasten of glazen fronten te coaten om ze gemakkelijker te ontdooien.

Hiervoor maakten Schröder en zijn collega’s gebruik van de verschillende eigenschappen van de twee polymeren: Teflon staat niet alleen bekend om zijn antikleefeigenschappen, het oppervlak is ook hydrofoob. Daarom rollen waterdruppels idealiter onmiddellijk af of bevriezen slechts een klein beetje, wat het ook gemakkelijker maakt om ijs te verwijderen. Maar Teflon zelf is moeilijk aan te brengen op andere oppervlakken. PV3D3 daarentegen wordt gekenmerkt door goede hechteigenschappen. Door de twee materialen geleidelijk op nanoniveau te combineren, kon het onderzoeksteam hen in een soepele overgang vergezellen. Enerzijds is de binding bijzonder goed, anderzijds blijven verschillende eigenschappen behouden. Het resultaat is een coatingmateriaal met een waterafstotende bovenzijde en een goed hechtende onderzijde.

Dunne polymeercoatings – niet zo gemakkelijk te produceren

Maar het gecontroleerd coaten van oppervlakken met polymeren is niet zo eenvoudig. Er zijn reeds gevestigde dampafzettings- of sputterprocessen voor het coaten met metalen of keramische materialen, die ook al decennia op grote industriële schaal worden toegepast. Polymeren kunnen echter niet eenvoudigweg worden verdampt of verstoven zonder ontleding. De Amerikaanse wetenschapper Karen K. Gleason biedt een remedie met de geïnitieerde chemische dampafzetting (iCVD) -techniek die ze halverwege de jaren negentig ontwikkelde aan het Massachusetts Institute of Technology MIT, waar Schröder in 2017 een onderzoeksverblijf doorbracht.

“Bij dit proces wordt een gas samen met een initiatorgas naar een reactiekamer geleid waarin zich een substraatoppervlak bevindt. Door warmte breken de chemische bindingen van de initiator en ontstaat er een kettingreactie”, legt promotor professor Franz Faupel, houder uit. van de leerstoel Composite Materials en lid van het onderzoeksgebied KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) bij CAU. Op deze manier “groeit” een dunne polymeerfilm op het substraatoppervlak uit de ingebrachte gassen.

De materiaalwetenschappers van Kiel gingen nog een stap verder. Ze gebruikten het iCVD-proces niet alleen om een ​​dunne polymeerlaag te creëren, maar verlijmden tegelijkertijd ook twee polymeren in een geleidelijke overgang. Nadat ze het V3D3-monomeer hadden geïntroduceerd, voegden ze het uitgangsmateriaal voor de PTFE-afzetting toe en verhoogden ze continu de concentratie. Tegelijkertijd hebben ze die van V3D3 verlaagd, zodat beide een polymeerfilm op het substraat vormen met een geleidelijke overgang van een puur PV3D3-polymeer naar een pure PTFE-film vanaf het substraatoppervlak.

Een nieuwe klasse van organische gradiënt nanomaterialen

Tijdens de iCVD-techniek vinden tal van processen parallel plaats. “Als individuele parameters zoals de substraattemperatuur of de druk van het monomeergas in de reactor worden veranderd, krijgt het uiteindelijke materiaal andere eigenschappen. Het vinden van de juiste parameters voor de gewenste eigenschappen is echter erg complex”, legt Schröder uit. Daarom rustte hij het conventionele iCVD-systeem van hun stoel uit met een open ionenbron quadrupool massaspectrometer. Het maakt het mogelijk om de processen in de reactiekamer in situ te observeren en om de samenstelling van het gasmengsel van de initiator en de twee monomeren tegelijkertijd aan te passen.

Dankzij deze zeer nauwkeurige besturing kon het onderzoeksteam een ​​polymeergradiëntlaag synthetiseren die slechts 21 nanometer dik is. Ter vergelijking: mensenhaar heeft een diameter van ongeveer 50.000 nanometer. Voorheen waren alleen macroscopische gradiënten mogelijk. “Zo’n dunne gradiëntfilm is praktisch een wereldrecord en vrijwel een nieuwe klasse van organische gradiëntnanomaterialen”, zegt dr. Thomas Strunskus, een onderzoeksmedewerker in de werkgroep. “Vooral voor toepassingen in de optica zijn coatings van slechts enkele nanometers cruciaal om de optische eigenschappen van bijvoorbeeld vensters of lenzen niet te schaden.” De eerste projecten met industriële partners uit de coating- en klimaattechniek zijn al in voorbereiding.

Mogelijke toepassingen variëren van micro-elektronica en sensoren tot optica en biogeneeskunde

Het proces dat in de studie wordt gepresenteerd, kan ook worden gebruikt om andere polymeercombinaties met nieuwe chemische en fysische materiaaleigenschappen te realiseren. Nanometerdunne polymeerfilms zijn ook interessant voor bijvoorbeeld flexibele micro-elektronische componenten en sensoren in MEMS-technologie (micro-elektromechanische systemen) of moleculaire machines die mechanische processen op nanoschaal overbrengen.

De nu gepubliceerde resultaten zullen ook worden gebruikt in het werk van verschillende onderzoeksverenigingen onder de paraplu van KiNSIS. “Dit zijn fundamentele hulpmiddelen voor de materiaalwetenschap. Toepassingen variëren van het verbeteren van de hechting van functionele lagen in sensoren en het ontwikkelen van materialen voor de gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen tot moleculaire machines”, zegt Faupel.