Der Selbstorganisation ein Schnippchen schlagen

Wenn man das Bad oder die Terrasse neu fliest und dabei zum Beispiel quadratische, rechteckige oder sechseckige Fliesen benutzt, so kommt, wenn man alles richtig macht, ein einfaches und regelm?ssiges Muster dabei heraus. Auf ?hnliche Weise k?nnen Wissenschaftler mit winzigen K¨¹gelchen aus verschiedenen Materialien ebenfalls einfache regelm?ssige Strukturen herstellen, die n¨¹tzliche optische oder mechanische Eigenschaften haben. Diese regelm?ssigen Strukturen ergeben sich von selbst aus dem Wechselspiel der zwischen den K¨¹gelchen wirkenden Kr?fte und ?usseren Einfl¨¹ssen, wie etwa einem Druck.

Seit einiger Zeit versuchen Forschende, komplexere Ausf¨¹hrungen solcher auch als kolloidale Kristalle bezeichneten Strukturen zu realisieren. Dies erwies sich aber bislang als schwierig. An der ETH Z¨¹rich haben Lucio Isa, Professor am Departement f¨¹r Materialwissenschaften, und seine Mitarbeiter es nun geschafft, mit Hilfe eines Tricks simple Mikrok¨¹gelchen dazu zu zwingen, sich zu komplexen kolloidalen Kristallen zusammenzufinden. Die Ergebnisse ihrer Arbeit erschienen k¨¹rzlich im Wissenschaftsjournal ?Nature?.

1 plus 1 ungleich 2

?Vereinfacht gesprochen haben wir gezeigt, dass 1 plus 1 nicht unbedingt 2 ergeben muss?, erkl?rt Isa. Dahinter verbirgt sich keine Missachtung elementarer Arithmetik, sondern eine Technik, mit der die Forschenden nur etwa ein Mikrometer grosse K¨¹gelchen aus weichen Polymer-Gelen dazu bringen, kompliziertere Muster zu bilden, als sie es freiwillig tun w¨¹rden.

Im Labor begannen sie zun?chst mit einem Standardexperiment. Sie sperrten die Polymer-Teilchen auf der Oberfl?che eines Wasserbades ein, auf dem eine ?lschicht (Hexan) schwamm. Mit Hilfe von verschiebbaren Barrieren kann die Gr?sse der Wasseroberfl?che verringert und die K¨¹gelchen dadurch immer mehr zusammengedr¨¹ckt werden, wodurch sie sich zu kristallartigen Strukturen anordnen. W?hrend sich diese Strukturen bilden, lagern sie sich auf einer Siliziumunterlage ab, die durch die Wasseroberfl?che gezogen wird. Dadurch werden sie wie mit einem Abzieher eingesammelt.  Zum Abschluss entfernen die Forschenden die Scheibe aus dem Wasserbad (siehe Bild).

Zwei Durchg?nge

?Wiederholt man diesen Vorgang jeweils mit einem frischen St¨¹cke Silizium, so findet man am Ende stets sechseckige Strukturen darauf, auch wenn man die K¨¹gelchen immer h?heren Dr¨¹cken aussetzt und damit st?rker komprimiert?, sagt Isa. Benutzt man jedoch statt einer frischen Siliziumunterlage eine bereits benutzte, auf der sich schon eine sechseckige Kristallstruktur aus Mikrok¨¹gelchen befindet, so m¨¹ssen sich die neuen K¨¹gelchen w?hrend der zweiten Ablagerung an zwei Randbedingungen orientieren: Zum einen stossen sie sich gegenseitig ab, w?hrend sie von den Barrieren seitlich zusammengepfercht werden; zum anderen stossen sie aber auch gegen die starr auf der Siliziumunterlage angeordneten K¨¹gelchen des ersten Durchgangs. Aus dem Zusammenspiel dieser beiden Einfl¨¹sse treiben die K¨¹gelchen die der zweiten Schicht die Bildung von Mustern voran, die v?llig anders sein k?nnen als das erste ¨C und auch viel komplexer.

Komplexe Muster durch Frustration

Sieht man sich die beiden Schichten zusammen unter einem hochaufl?senden Mikroskop genau an, so erkennt man je nach Packungsdichte der Mikrok¨¹gelchen die verschiedensten Anordnungen: ineinandergreifende S-f?rmige Muster, hexagonale ?bergitter, oder auch Fischgr?tenmuster (siehe Bild). ?Damit haben wir gezeigt, dass man mit einfachen Bausteinen, in unseren Fall kleinen K¨¹gelchen, in zwei Schritten sehr komplexe Anordnungen erzeugen kann?, sagt Isa.

Mit Hilfe von Computersimulationen konnten er und sein Team ¨C darunter zwei Masterstudenten, die an der Durchf¨¹hrung der Experimente beteiligt waren ¨C zeigen, dass sich die komplexen Muster tats?chlich nur daraus ergaben, dass sich die K¨¹gelchen gegenseitig abstossen. Insbesondere f¨¹hrte dabei die Abstossung zwischen den K¨¹gelchen der ersten, nunmehr starren Schicht und denen der zweiten zur so genannten Frustration. Das bedeutet, dass die beweglichen K¨¹gelchen konnten sich nicht mehr frei arrangieren, sondern mussten das Muster der ersten Schicht ber¨¹cksichtigen, auch wenn sie sich untereinander nat¨¹rlicherweise anders angeordnet h?tten.

Gezieltes Design von Strukturen

Isa sieht in seiner Methode einen wichtigen Schritt in Richtung eines gezielten Designs komplexer selbstorganisierender Strukturen aus einfachen Grundbausteinen. Die Form der Grundbausteine und der Grad der Kompression k?nnen dabei so gew?hlt werden, dass sich am Ende ein vorherbestimmtes Muster ergibt. Diese Muster k?nnen regul?re Kristalle mit mehr oder weniger komplexen periodischen Gitterstrukturen sein. Isa hofft aber, die Herstellungsmethode auch auf Quasikristalle ausdehnen zu k?nnen, die zwar eine gewisse lokale Ordnung aufweisen, deren Muster sich aber nicht periodisch im Raum wiederholen. W?hrend Isa all das aus rein wissenschaftlichen Gr¨¹nden hochinteressant findet, sieht er auch konkrete Anwendungsm?glichkeiten. So k?nnten beispielsweise massgeschneiderte Oberfl?chenmuster mit bestimmten optischen Eigenschaften hergestellt werden oder solche, die ein gew¨¹nschtes Benetzungs- oder Reibungsverhalten aufweisen. Diese k?nnten dann zur Beschichtung optischer Bauteile oder anderer Materialien verwendet werden.