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F.A.Z. v. 10.11.1999

Wellenförmige Mikrostrukturen

Komplizierte Muster auf Kunststoff durch Schrumpfung erzeugt / Von Rainer Scharf

Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung mikroskopisch geordneter Strukturen, das auch praktische Bedeutung hat, haben Wissenschaftler der Harvard University in Cambridge/Massachusetts entwickelt. Es beruht darauf, dass sich unterschiedliche Materialien bei Abkühlung verschieden stark zusammenziehen können. Werden zwei dünne Schichten aus solchen Materialien fest miteinander verbunden und anschließend abgekühlt, so treten Spannungskräfte auf, und die Schichten deformieren sich wellenförmig. Unter geeigneten Bedingungen beträgt die Wellenlänge der dabei entstehenden Muster nur etwa ein tausendster Millimeter.

Zur Erzeugung dieser Mikrostrukturen tragen George M. Whitesides und seine Kollegen eine dünne Schicht des Kunststoffs Polydimethylsiloxan auf ein Glasplättchen auf ("Applied Physics Letters", Bd. 75, S. 2557). Anschließend erhitzen sie den Kunststoff auf Temperaturen zwischen 50 und 250 Grad Celsius, und geben ihm mindestens 45 Minuten Zeit, sich auszudehnen. In früheren Experimenten hatten sie auf den heißen Kunststoff eine Goldschicht aufgedampft, die sich bei Abkühlung weniger stark zusammenzieht und sich deshalb wellenförmig buckelt. Jetzt haben die Wissenschaftler ein einfacheres Verfahren entwickelt. Sie setzen die heiße Oberfläche des Kunststoffs zur Oxydation einer Sauerstoffatmosphäre aus. Je nach Dauer des Vorgangs bildet sich eine mehr oder weniger dicke poröse Kruste, die fest mit der Kunststoffschicht verbacken ist. Die chemische Zusammensetzung der Kruste ist noch ungeklärt.

Kühlt man die Kunststoffschicht ab, so entwickelt sich wiederum das charakteristische Wellenmuster, da sich die poröse Kruste weniger stark zusammenzieht als der Kunststoff. Über einige hundertstel Millimeter hinweg ist dieses Muster regelmäßig geordnet. Dann aber verliert sich die Ordnung. Man kann das Wellenmuster indes auch in größeren Bereichen zur Ordnung zwingen, indem man in die Kunststoffschicht in regelmäßigen Abständen Stufen einbaut. Sie buckelt sich dann nur senkrecht zu diesen Stufen. Ihre Oberfläche ähnelt dann nebeneinander gelegten Streifen von Krepppapier. In einer Kunststoffschicht mit regelmäßig angeordneten Verdickungen konnten die Wissenschaftler auch kompliziertere Wellenmuster hervorrufen. Dabei richteten sich die Wellen so aus, dass sie stets senkrecht auf den Rändern der Verdickungen standen. Auf diese Weise entwickelte sich auf einer grob vorstrukturierten Oberfläche gewissermaßen von selbst ein wesentlich feineres, regelmäßiges Muster.

Für das jetzt vorgestellte Verfahren gibt es zahlreiche mögliche Anwendungen, zum Beispiel bei der Herstellung von chemischen Mikroreaktoren, von Druckstempeln oder von Masken für die Photolithographie. Und auch in der biologischen Forschung könnten die gewellten Plastikschichten genutzt werden. Auf ihrer Oberfläche sitzende Zellen würden bevorzugt in bestimmte Richtungen wachsen. 
 

 
Mikroskopische Aufnahme einer Plastikschicht, die kleine kreisförmige Erhebungen aufweist und nach Behandlung mit Wärme und Sauerstoff ein kompliziertes wellenförmiges Oberflächenmuster entwickelt. Foto Harvard University
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