Der Selbstorganisation ein Schnippchen schlagen

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Komplexe Anordnung aus Mikrokügelchen (links) und das dazugehörige mathematische

Komplexe Anordnung aus Mikrokügelchen (links) und das dazugehörige mathematische Diagramm (Parkettierung), das die Strukturen grafisch verdeutlicht (rechts). (alle Grafiken: Labor für weiche Materialien und Oberflächen, ETH Zürich)

Forschende der ETH Zürich haben Kügelchen aus Polymer-Gelen dazu gebracht, in einem Zwei-Schritt-Verfahren von alleine komplexe Muster zu bilden. Damit könnten Oberflächen mit massgeschneiderten optischen und mechanischen Eigenschaften realisiert werden.

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 regelmässiges Muster dabei heraus. Auf ähnliche Weise können Wissenschaftler mit winzigen Kügelchen aus verschiedenen Materialien ebenfalls einfache regelmässige Strukturen herstellen, die nützliche optische oder mechanische Eigenschaften haben. Diese regelmässigen Strukturen ergeben sich von selbst aus dem Wechselspiel der zwischen den Kügelchen wirkenden Kräfte und äusseren Einflüssen, wie etwa einem Druck.

Seit einiger Zeit versuchen Forschende, komplexere Ausführungen solcher auch als kolloidale Kristalle bezeichneten Strukturen zu realisieren. Dies erwies sich aber bislang als schwierig. An der ETH Zürich haben Lucio Isa, Professor am Departement für Materialwissenschaften, und seine Mitarbeiter es nun geschafft, mit Hilfe eines Tricks simple Mikrokügelchen dazu zu zwingen, sich zu komplexen kolloidalen Kristallen zusammenzufinden. Die Ergebnisse ihrer Arbeit erschienen kürzlich im Wissenschaftsjournal «Nature».

1 plus 1 ungleich 2

«Vereinfacht gesprochen haben wir gezeigt, dass 1 plus 1 nicht unbedingt 2 ergeben muss», erklärt Isa. Dahinter verbirgt sich keine Missachtung elementarer Arithmetik, sondern eine Technik, mit der die Forschenden nur etwa ein Mikrometer grosse Kügelchen aus weichen Polymer-Gelen dazu bringen, kompliziertere Muster zu bilden, als sie es freiwillig tun würden.

Im Labor begannen sie zunächst mit einem Standardexperiment. Sie sperrten die Polymer-Teilchen auf der Oberfläche eines Wasserbades ein, auf dem eine Ölschicht (Hexan) schwamm. Mit Hilfe von verschiebbaren Barrieren kann die Grösse der Wasseroberfläche verringert und die Kügelchen dadurch immer mehr zusammengedrückt werden, wodurch sie sich zu kristallartigen Strukturen anordnen. Während sich diese Strukturen bilden, lagern sie sich auf einer Siliziumunterlage ab, die durch die Wasseroberfläche gezogen wird. Dadurch werden sie wie mit einem Abzieher eingesammelt. Zum Abschluss entfernen die Forschenden die Scheibe aus dem Wasserbad (siehe Bild).

Zwei Durchgänge

«Wiederholt man diesen Vorgang jeweils mit einem frischen Stücke Silizium, so findet man am Ende stets sechseckige Strukturen darauf, auch wenn man die Kügelchen immer höheren Drücken aussetzt und damit stärker komprimiert», sagt Isa. Benutzt man jedoch statt einer frischen Siliziumunterlage eine bereits benutzte, auf der sich schon eine sechseckige Kristallstruktur aus Mikrokügelchen befindet, so müssen sich die neuen Kügelchen während der zweiten Ablagerung an zwei Randbedingungen orientieren: Zum einen stossen sie sich gegenseitig ab, während sie von den Barrieren seitlich zusammengepfercht werden; zum anderen stossen sie aber auch gegen die starr auf der Siliziumunterlage angeordneten Kügelchen des ersten Durchgangs. Aus dem Zusammenspiel dieser beiden Einflüsse treiben die Kügelchen die der zweiten Schicht die Bildung von Mustern voran, die völlig anders sein können als das erste - und auch viel komplexer.

Komplexe Muster durch Frustration

Sieht man sich die beiden Schichten zusammen unter einem hochauflösenden Mikroskop genau an, so erkennt man je nach Packungsdichte der Mikrokügelchen die verschiedensten Anordnungen: ineinandergreifende S-förmige Muster, hexagonale Übergitter, oder auch Fischgrätenmuster (siehe Bild). «Damit haben wir gezeigt, dass man mit einfachen Bausteinen, in unseren Fall kleinen Kügelchen, in zwei Schritten sehr komplexe Anordnungen erzeugen kann», sagt Isa.

Mit Hilfe von Computersimulationen konnten er und sein Team - darunter zwei Masterstudenten, die an der Durchführung der Experimente beteiligt waren - zeigen, dass sich die komplexen Muster tatsächlich nur daraus ergaben, dass sich die Kügelchen gegenseitig abstossen. Insbesondere führte dabei die Abstossung zwischen den Kügelchen der ersten, nunmehr starren Schicht und denen der zweiten zur so genannten Frustration. Das bedeutet, dass die beweglichen Kügelchen konnten sich nicht mehr frei arrangieren, sondern mussten das Muster der ersten Schicht berücksichtigen, auch wenn sie sich untereinander natürlicherweise anders angeordnet hätten.

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 können dabei so gewählt werden, dass sich am Ende ein vorherbestimmtes Muster ergibt. Diese Muster können reguläre Kristalle mit mehr oder weniger komplexen periodischen Gitterstrukturen sein. Isa hofft aber, die Herstellungsmethode auch auf Quasikristalle ausdehnen zu können, die zwar eine gewisse lokale Ordnung aufweisen, deren Muster sich aber nicht periodisch im Raum wiederholen. Während Isa all das aus rein wissenschaftlichen Gründen hochinteressant findet, sieht er auch konkrete Anwendungsmöglichkeiten. So könnten beispielsweise massgeschneiderte Oberflächenmuster mit bestimmten optischen Eigenschaften hergestellt werden oder solche, die ein gewünschtes Benetzungsoder Reibungsverhalten aufweisen. Diese könnten dann zur Beschichtung optischer Bauteile oder anderer Materialien verwendet werden.

Reference

Grillo F, Fernandez-Rodriguez MA, Antonopoulou M et al. Self-templating assembly of soft microparticles into complex tessellations. Nature 582, 219-224 (2020). doi: 10.1038/s41586-020-2341-6

Oliver Morsch