Funktionelle Mikrostrukturen

Der Forschungsschwerpunkt des Programmbereichs „Funktionelle Mikrostrukturen“ liegt in der Erforschung und Entwicklung der „Gecko-Technologie“, d.h. der Einstellung spezieller adhäsiver Eigenschaften durch eine gezielte Oberflächenstrukturierung. Das Design solcher Oberflächen ist oftmals an biologische Strukturanordnungen angelehnt. Die Kernbereiche sind dabei „Bioinspirierte Haftsysteme“, „Charakterisierung von mikrostrukturierten Oberflächen“, „Strukturierte Oberflächen für biomedizinische Anwendungen“ sowie „Haftsysteme für industrielle Anwendungen“. Der Programmbereich führt grundlegende Untersuchungen zu den Haftmechanismen durch und lotet gemeinsam mit Industriepartnern das Anwendungspotential der „Gecko-Technologie“ aus.

Bioinspirierte Haftsysteme

In der Natur kommt eine Vielfalt von unterschiedlichsten Adhäsionssystemen vor, die den derzeitigen künstlichen Adhäsionssystemen weit überlegen sind. Ein Schlüsselprinzip für kontrollierte Adhäsion in biologischen Systemen ist die Ausbildung von haarähnlichen Strukturen im Mikro- und Nanometer-Bereich. Unter den vielen Lebewesen, die sich solche Oberflächenstrukturen zu Nutze machen, sind vor allem Geckos ins Zentrum des Interesses gerückt, da sie die schwersten Lebewesen sind, die an unterschiedlichen Oberflächen haften können. Ihr hochentwickeltes Adhäsionssystem besteht aus hierarchisch aufgebauten Fibrillen. Diese Fibrillen verzweigen sich zur Kontaktfläche hin und enden mit kleinen abgewinkelten Plättchen, den sogenannten Spatulae. Trotz des wachsenden wissenschaftlichen Interesses sind viele Details des Kontakt- und Ablösevorgangs bisher nicht verstanden. Zum tieferen Verständnis der zu Grunde liegenden Prinzipien natürlicher Haftsysteme untersucht der Programmbereich Zusammenhänge zischen der Strukturgeometrie und adhäsiven Eigenschaften in künstlichen Haftsystemen. Dazu werden hierarchische Modellstrukturen hergestellt, um den Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Adhäsion des Haftsystems zu untersuchen, wie beispielsweise Zahl und Geometrie der Hierarchiestufen, Adhäsion gegen raue Oberflächen und mechanische Eigenschaften der Strukturen (Steifigkeit, Viskoelastizität).

Charakterisierung von mikrostrukturierten Oberflächen

Eine präzise Bestimmung von Oberflächeneigenschaften ist der Schlüssel zur Weiterentwicklung bestehender Systeme und zur Entdeckung neuer Phänomene. Aus diesem Grund beschäftigt sich der Programmbereich Funktionelle Oberflächen intensiv mit Messmethoden, die speziell für die Anforderungen von mikrostrukturierten Oberflächen entwickelt werden. Makroskopische Messmethoden zur Bestimmung der Adhäsion mikrostrukturierter Oberflächen werden ständig weiterentwickelt und verbessert. Sie liefern aussagekräftige Daten sowohl unter wissenschaftlichen Idealbedingungen als auch unter realen Bedingungen. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, Kontaktphänomene „in situ“ während eines Adhäsionsversuchs zu beobachten. Außerdem werden Adhäsionsmechanismen „in situ“ in einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Ein weiterer Bereich ist die Herstellung von Prüfständen für industrielle Anwendungen.

Strukturierte Oberflächen für biomedizinische Anwendungen

Eine besonders vielversprechende Anwendung der „Gecko-Technologie“ betrifft die Medizintechnik. Während bioinspirierte Haftsysteme für technische Anwendungen meist auf flachen und harten Oberflächen haften müssen, müssen die Haftsysteme für den medizinischen Bereich auf weichen, feuchten, lebenden und sich bewegenden Oberflächen haften. Die Adhäsion bioinspirierter Haftsysteme wird sowohl auf künstlichen weichen Modellsystemen als auch „in vitro“ gegen weiche Proben mit komplexen viskoelastischen Eigenschaften untersucht. In Zusammenarbeit mit der Universität des Saarlandes in Homburg (Abteilung für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde) werden dazu Einflüsse der Strukturgeometrie, Oberflächenchemie und Steifigkeit auf die Adhäsion künstlicher Haftsysteme auf Haut oder Schleimhaut untersucht. Potenzielle Anwendungen ergeben sich neben der Ohrchirurgie auch in anderen chirurgischen Bereichen, in denen gezielte Haftung von körperfremden Strukturen erwünscht ist.

Haftsysteme für industrielle Anwendungen

Künstliche Haftsysteme können wirtschaftlich nur genutzt werden, wenn sie großflächig und kostengünstig produziert werden können. Aus diesem Grund untersuchen wir in Zusammenarbeit mit den Programmbereichen Optische Materialien und Nanomere Herstellungsmethoden zur großflächigen Mikrostrukturierung, die eine kostengünstige Produktion von künstlichen Haftsystemen ermöglichen. Das Leibniz-Institut für Neue Materialien ist für Pilot-Anlagen zur Herstellung solcher Oberflächen ausgezeichnet ausgerüstet – sowohl für passive, wie auch für schaltbare Strukturen. Gemeinsam mit Industriepartnern werden Haftsysteme für spezielle Anwendungen hergestellt und erprobt. Kürzlich gelang die Realisierung eines Demonstrator-Roboters, der kleine Objekte gezielt aufnehmen und ablegen kann. Die derzeit bearbeiteten Anwendungsbeispiele reichen von der Mikrofabrikation bis zu medizinischen Anwendungen.