Mit neuartigen Lasertechnologien antibakterielle Oberflächen erzeugen
Wie Materialien an ihren Oberflächen strukturiert sind, kann sehr bedeutende Auswirkungen auf ihre antibakteriellen Eigenschaften haben. In der Natur sorgt zum Beispiel die Oberflächenmikrostruktur des Lotusblatts dafür, dass das Wasser von ihm abperlt. Da Bakterientransport hauptsächlich innerhalb von Flüssigkeiten stattfindet, werden durch Dispersion der Flüssigkeit die Bakterien abgetötet. So ähnlich können Oberflächen mit bestimmten rauen Strukturen in Größenordnungen, die noch kleiner als ein Bakterium sind, das Anhaften von Bakterien behindern, indem sie die Kontaktpunkte der Bakterien begrenzen oder die Zellmembran zerkratzen. Eine Kombination aus künstlichen wasserabweisenden und antibakteriellen Strukturen könnte wichtigen Anwendungszwecken in der Industrie dienen; zum Beispiel im Lebensmittelsektor. Unter Strukturierung versteht man den Herstellungsprozess, mit dem eine gewünschte Textur bzw. Struktur erzeugt wird. Theoretisch könnte ein Laser die Oberfläche in winzigen Größenordnungen formen, ohne das Material zu schmelzen oder zu schneiden, wobei auch unerwünschte Formen entstehen würden. Bislang reichen Industrielaser jedoch nicht aus, da die Pulse zu langsam sind, was das Material zum Schmelzen bringt. Außerdem müssen in der industriellen Fertigung große Oberflächen schnell mit Strukturen versehen werden, und die verfügbaren Laser sind für eine Hochdurchsatzproduktion nicht ausreichend leistungsfähig.
Neues System zur Laserstrukturierung
Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts TresClean wurden nun Strukturierungstechnologien entwickelt, die für die Lebensmittelindustrie und den Haushaltsgerätesektor vorgesehen sind. Das neue System kann große Flächen schnell strukturieren und dabei gleichzeitig wasserabweisende und antibakterielle Muster entstehen lassen. Zudem umfasst das System eine neue Scannertechnologie zur Strahlsteuerung. Die Selbstreinigungseigenschaft wird durch Kombination zweier unterschiedlicher Oberflächenstrukturierungen erreicht. „In diesem Fall ist die Morphologie durch die Überlagerung von Rauheiten im Mikrobereich und Merkmalen im Nanobereich in einem Muster gekennzeichnet, das sich in beiden Größenordnungen ähnelt“, erklärt Luca Romoli, Projektkoordinator und Professor an der Universität Parma. „Diese sogenannte hierarchische Struktur ist superhydrophob. Im Großen und Ganzen gleitet das Wasser von einem Teppich aus nanokleinen Luftblasen ab.“ Die TresClean-Partner evaluierten mehrere Strukturierungstechnologien und entschieden sich für zwei, die weiterentwickelt wurden. Die eine Methode ist das Direct Laser Interference Patterning, bei dem die Interferenzmuster von vier Laserstrahlen ein bestimmtes Muster auf der Oberfläche erzeugen. Bei dem zweiten Verfahren handelt es sich um die Anwendung laserinduzierter periodischer Oberflächenstrukturen. Dabei entsteht die gewünschte Struktur durch eine Selbstumstrukturierung des Materials, die auf den Instabilitätszustand folgt, der durch die Einwirkung ultrakurzer Laserpulse erzeugt wird. „Einen Laserpuls kann man sich gut wie einen Stein vorstellen, der in einen Teich geworfen wird“, ergänzt Romoli. „Die durch den Stoß auf der Wasseroberfläche erzeugten Wellen ähneln den Rillen, die sich auf einer metallischen Oberfläche bilden.“
Bewährtes Konzept
Zu Projektbeginn boten die bereits existierenden Laser weder genügend Leistung noch ausreichend Geschwindigkeit für eine Hochdurchsatzproduktion. Im Rahmen des Projekts wurde die Kombination aus geeigneten Lasern, die Impulse von 10 MHz erreichen können, und einem Scannerkopf, der eine Fläche von 200 x 200 mm in 200 Millisekunden abtasten kann, entwickelt und verifiziert. Integriert in Werkstoffbearbeitungsmaschinen können mit dem neuen System Metallteile entsprechend den gewünschten Parametern strukturiert werden. Die Strukturen konnten mittels Spritzgießen erfolgreich auf Kunststoffteile übertragen werden. Eine Prüfung der Sauberkeit der auf diese Weise hergestellten Teile ergab eine um 90 % geringere bakterielle Anhaftung im Vergleich zu unstrukturierten Teilen. Metallteile schnitten dabei besser ab als jene aus Kunststoff. Auch Untersuchungen zur Dauerhaftigkeit bei den Metallteilen fielen zufriedenstellend aus. Für antibakterielle Oberflächen gibt es in der Industrie zahlreiche Anwendungen – etwa in verschiedenen Lebensmittel- und Haushaltsgerätebereichen sowie möglicherweise in Form von Bewuchsschutzsystemen für Schiffe. Beauftragte aus diesen Sektoren haben Interesse an den neuen Technologien von TresClean bekundet. Diese Entwicklungen könnten letztlich zur Einführung etlicher Selbstreinigungsprodukte beitragen.
Schlüsselbegriffe
TresClean, Laser, Strukturierung, Funktionalisierung, antibakteriell, Oberflächen, Strukturierungstechnologien, superhydrophob
