28.08.2000

* 6. Technik: Werkstätten der Zukunft * 6.1. Vorstoß in die MikroweltSCHÄUME IM ZAUBERKABINETT

„Die nächste Teflonpfanne kommt aus Saarbrücken.“ In den Glaskolben eines saarländischen Chemielabors gedeihen die Materialien der Zukunft.
Wer vieles bringt, wird manchem etwas bringen." Mit dem Zitat aus dem Vorspiel zum "Faust" umschreibt der Chemiker Helmut Schmidt, Professor für Werkstoffwissenschaften an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken, sein berufliches Lebensmotto. Zusammen mit seinen Mitarbeitern am Institut für Neue Materialien (INM) produziert Schmidt eine Vielfalt von Erschei- nungen - in einer Welt des praktisch Unsichtbaren.
Schon seit fast einem Jahrzehnt entstehen in den Glaskolben der chemischen Reaktoranlagen in den INM-Labors neuartige Stoffkonfigurationen, so genannte Nanopartikel, die nur etwas größer sind als durchschnittliche Moleküle. Die Winzlinge bilden eine Art Zwischenstufe zwischen festen Körpern und den atomaren Bausteinen der Materie. In diesem Schwebezustand verlieren die Partikel viele Eigenschaften, die sie in kompakter Form aufweisen, und lassen sich in vielfältiger Form nutzen: zur hauchdünnen Beschichtung herkömmlicher Werkstoffe beispielsweise, die dadurch bruchsicher und kratzfest werden und sogar dem Beschuss von Pistolenkugeln widerstehen.
Nur mit Hilfe höchstauflösender Mikroskope lassen sich die Nanopartikel, deren Ausdehnung in millionstel Millimetern gemessen wird, sichtbar machen. Einige der Partikel bringen es auf Durchmesser von nur drei Nanometern, was etwa der Breite des DNS-Doppelstrangs entspricht, auf dem die Erbanlagen des Menschen angeordnet sind.
An einem dreistufigen Beispiel erläutert Schmidt die Eigenschaften der seltsamen Miniteilchen: "Dreht man eine Glasplatte um, auf der ein Kiesel liegt, fällt der Stein hinunter. Ein Mehlstaubkorn fällt nicht, kann aber weggepustet werden. Ein Nanopartikel hingegen lässt sich unter gleichen Versuchsbedingungen nicht mehr von der Glasoberfläche entfernen." Es widersteht den Gesetzen der Schwerkraft. Ursache: "Die Masse und die Angriffsfläche des Partikels sind im Vergleich zu seiner Haftkraft viel zu klein."
Die Wirkung der Adhäsionskräfte ist so ausgeprägt, dass die Nanos zur sofortigen Verklumpung neigen. Um sie dennoch sinnvoll nutzen zu können, haben die INM-Forscher trickreiche Verfahren entwickelt, wie Oberflächen mit Nanopartikeln beschichtet werden können.
Auf diese Weise lässt sich ein Werkstoff beispielsweise so verändern, dass er auf der Vorderseite haftet, auf der Rückseite hingegen mit fremden Stoffen keine Verbindung eingeht. "Wir können auf die Nanopartikel viele zusätzliche chemische und physikalische Funktionen pfropfen", erläutert Schmidt: Die Winzteile sind so programmiert, dass sie entweder selbst oder eingebunden in Kunststoff-, Glas- oder Keramikstrukturen zu neuen Hochleistungswerkstoffen werden.
Als Schmidt vor zehn Jahren damit begann, am neu gegründeten INM eine Technologie für Nanowerkstoffe aufzubauen, die auf chemischen Syntheseverfahren basiert, "lachten uns viele Physiker gnadenlos aus", erinnert sich Schmidt. Kritik und Skepsis sind mittlerweile verstummt.
Die Grundlage für die neue Technologie hatte Schmidt schon in seiner Würzburger Zeit am Fraunhofer Institut für Silikatforschung gelegt: Mit dem so genannten Sol-Gel-Verfahren lässt sich aus einer flüssigen Mischung (Sol) ein gallertartiges Netzwerk (Gel) von anorganischen oder anorganischorganischen Stoffen zusammenfügen.
Die dreifach mannshohen, elektronisch gesteuerten Sol-Gel-Reaktoren in den Saarbrücker Labors produzieren je Durchgang bis zu 100 Liter eines farblosen Gels. Es enthält Unmengen von Nanopartikeln, deren Kern jeweils eine kleine Anzahl von Atomen unterschiedlicher Elemente wie Silizium, Eisen und Titan, aber auch Gold, Silber oder Wolfram bildet. Ein Hauptvorteil des Gels ist sein Aggregatzustand: Mit den halbflüssigen Partikeln lassen sich Materialien durch Sprühen, Tauchen oder Schleuderverfahren gleichmäßig hauchdünn benetzen.
Bei anderen Herstellungsmethoden werden die Nanopartikel bereits den Grundstoffen beigemischt, aus denen dann Fasern, Keramikteile, Filter oder Kunststoffe hergestellt werden.
"Nach zehnjähriger Grundlagenforschung steht die chemische Nanotechno-
logie jetzt zur breiten Umsetzung in der Industrie bereit", sagt Schmidt. Beispiele möglicher Anwendung sind im "Zauberkabinett", einer turnhallengroßen Werkshalle in einem Nebengebäude, ausgestellt: Werkstoffe, die den Alltag bequemer, einfacher und sicherer machen sollen.
Viele der neuen Materialien werden bereits industriell genutzt, etwa als Schutzschicht gegen Graffiti-Schmierereien oder um die Oberfläche von Kunststoffbrillengläsern glashart und kratzfest zu machen. Ein anderes Beispiel: Glasscheiben mit eingebetteter Gel-Schicht, die sich bei hohen Temperaturen zu einem Isolierschaum wandelt und dann sogar der Hitze eines Flammenwerfers standhält.
Reif für die Produktanwendung ist ein Beschichtungsverfahren, das Schmidt mit dem Slogan "Die nächste Teflon-Pfanne kommt aus Saarbrücken" charakterisiert. Die neue Stahlpfanne soll mit einem transparenten Hauch aus gläsernen Nanopartikeln bedeckt sein, die ein Anhaften des Bratguts verhindern. "Das fertige Spiegelei flutscht nur so aus der Pfanne", schwärmt Schmidt; anders als Teflon sei die neue Schicht "total kratz- und abriebfest" und überdies mühelos zu reinigen.
Ein wenig Zauberei scheint bei einem zunächst porzellanweißen Ausstellungsstück im Spiel: der Figur eines altchinesischen Kriegers. Unter den Lichtstrahlen einer UV-Lampe reagieren zuvor transparente Nanopartikel (auf der Basis von Goldatomen) und verfärben sich entsprechend ihrer unterschiedlichen Größe und Dichte: Der Krieger trägt plötzlich eine bunte Uniform.
Mehr als 60 Patente für anwendungsreife Techniken hat das INM mittlerweile angemeldet. Allein im vergangenen Jahr waren die 241 Mitarbeiter des Saarbrücker Instituts, die aus den verschiedensten wissenschaftlichen Fachbereichen kommen, mit 90 Industriepartnern an gemeinsamen Entwicklungsprojekten beteiligt.
Zu den INM-Kunden gehörten nicht nur Konzerne der Großindustrie aus Deutschland, Japan und den USA, sondern auch kleinere mittelständische Unternehmen wie beispielsweise die im saarländischen St. Ingbert ansässige Nanosol GmbH. Ihre vier Mitarbeiter stellen sehr dünne Edelstahlröhren her, die im medizinischen Apparatebau verwendet werden. Die Innenwände der Röhrchen sind mit einer Antihaftbeschichtung aus Nanopartikeln ausgekleidet, so wird ein rückstandsfreier Durchfluss von Körpersäften und Reagenzien ermöglicht.
Demnächst soll im INM-Kabinett die Ausstellungsfläche für chemische Nanowerkstoffe erweitert werden - die Zahl neuer Anwendungsmöglichkeiten der Technologie ist groß. Schließlich seien bislang nur die Eigenschaften von gut einem Dutzend der etwa 90 brauchbaren Elemente des Periodensystems näher erforscht, erläutert Schmidt. "In dieser Entwicklung", sinniert der Professor, "steckt noch ungeheuer viel Musik." RAINER PAUL
* Links: Glühzünder aus elektrisch leitfähiger Keramik, feuerfest beschichtetes Glas; rechts: Glasscheibe mit Nanokompositfüllung, die auf der flammabgewandten Seite nicht heißer als 80 Grad wird.
Von Rainer Paul

DER SPIEGEL 35/2000
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