Oberflächen: Herstellung von Polymerbürsten in 3D

14.06.2013
Foto: 3D-Bürsten

Wachstum der 3D-Bürsten mit einer Photomaske, durch die sichtbares Licht die Oberfläche bestrahlt;
© Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Craig J. Hawker und ein Team von der University of California in Santa Barbara haben eine neue Methode entwickelt, um komplexe dreidimensionale Polymerbürsten-Nanostrukturen durch Photopolymerisation herzustellen.

Unter Polymerbürsten versteht man Polymere, bei denen einzelne Polymerketten dicht an dicht auf eine Oberfläche gepfropft sind und die Ketten wie Borsten bei einer Bürste abstehen. Amerikanische Wissenschaftler präsentieren nun eine neue einfache Methode, mit der sich dreidimensionale Nano-Muster kontrolliert aus Polymerbürsten herstellen lassen.

Die derzeitigen und zukünftigen Anwendungen für Polymerbürsten sind vielfältig. So kann eine Beschichtung mit Polymerbürsten die Adsorption von Proteinen an Kunststoffoberflächen, beispielsweise in künstlichen Herzklappen oder Dialysegeräten verhindern. Weitere Bereiche sind die Herstellung der nächsten Generation mikroelektronischer Geräte, biokompatible Beschichtungen von Implantaten, chemische Sensoren und neue „intelligente“ Materialien.

Während Fortschritte hinsichtlich neuer Bürsten-Strukturen gemacht wurden, fehlt es derzeit noch an Methoden, die eine ausreichende zeitliche und räumliche Kontrolle über den Aufbauprozess bieten. Bisher wird meist eine selbstorganisierte Monoschicht eines Initiators auf einem Substrat hergestellt, auf die dann Polymerketten aufwachsen können. Um Muster zu erhalten, muss bereits der Initiator im entsprechenden Muster auf das Substrat aufgetragen sein – dreidimensionale Strukturen sind so nicht realisierbar.

Hawker und sein Team haben nun eine neue Methode entwickelt, die den zeitlich und räumlich kontrollierten Aufbau von Bürsten auf einer einheitlichen Initiatorschicht ermöglicht. Die einfache Methode basiert auf einer durch Licht ausgelösten radikalischen Polymerisation. Wie hoch die Bürsten an einer bestimmten Stelle wachsen, hängt nur von der lokalen Länge und Intensität der Bestrahlung ab.

Um Muster zu erzeugen, können herkömmliche Photomasken verwendet werden. Sie haben Lücken an Stellen, die bestrahlt werden sollen, und schirmen das Licht an den anderen Stellen ab. So lassen sich großflächige Muster mit Submikrometer-Auflösung in einem Schritt herstellen. Möglich macht dies ein spezieller Iridium-basierter Photo-Katalysator. Er bleibt nach Bestrahlung immer nur sehr kurze Zeit aktiv, daher kann er im aktiven Zustand nicht weit in die nicht bestrahlten Gebiete eindringen. Auch Masken mit Grauschattierung können verwendet werden, etwa mit kontinuierlich zunehmender Lichtdurchlässigkeit zur Herstellung von Gradientenmustern.

Ein weiterer Vorteil der neuen Methode: Während der Polymerisation schieben sich die neu eingebauten Monomere immer hinter dem Initiator in die Kette ein, der Initiator verbleibt als vorderstes Ende der wachsenden Kette. Da er, anders als bei bisherigen Methoden, nicht zerstört wird und weiterhin an der richtigen Stelle zur Verfügung steht, kann die Polymerisation jederzeit unterbrochen und wieder neu gestartet werden. Auf diese Weise kann die verwendete Maske während des Prozesses beliebig oft gewechselt und sogar das verwendete Monomer variiert werden. Der Komplexität der zugänglichen Muster und Anwendungen sind so kaum noch Grenzen gesetzt.

COMPAMED.de; Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.