FTE-Erfolgsstorys -Atomlagenabscheidung sorgt für komplexe Nanostrukturen
Europäische Forscherinnen und Forscher wollen die Nanowissenschaften beherrschen lernen und führen die Suche nach Lösungen in der Welt des unendlich Kleinen an, in der ein Nanometer ein Milliardstel Meter ist oder winzige Moleküle etwa 50 000-mal kleiner als der Durchmesser eines Menschenhaares sind. Die Jagd nach neuartigen Verbundwerkstoffen ist eröffnet. Sie sollen kombiniert und manipuliert werden können, um komplexe, aber äußerst nützliche Eigenschaften verliehen zu bekommen, die bei vielen Vorhaben der Industrie, etlichen Technologien und weiteren wissenschaftlichen Bestrebungen einsetzbar sind. Man stelle sich das nur lebhaft vor. Beispielsweise Wände, die sich einfach nach dem Aufsprühen einer speziellen Nanofaser, die auf Sonnenlicht reagiert und organische Verunreinigungen, Schmutz und sogar einige Arten von Graffiti im wahrsten Sinne des Wortes wegfrisst, selber reinigen. So könnten die Gemeinden und Stadtverwaltungen weltweit Reinigungskosten in enormer Größenordnung einsparen. "Mit den bei sichtbarem Licht aktiven Photokatalysatoren, an denen ich gearbeitet habe, könnte man saubere Wände erzielen, ohne sie manuell schrubben zu müssen", berichtet Dr. Szilágyi vom Fachbereich für anorganische und analytische Chemie der Technischen und Wirtschaftswissenschaftlichen Universität Budapest. "Und außerdem werden die Nanofasern auf umweltfreundliche Weise unter Einsatz umweltfreundlicher Chemikalien hergestellt!" Im Rahmen von Dr. Szilágyis Compnanoald-Projekt tauchte man tiefer als jemals zuvor in diese komplexen Nanostrukturen ein und verwendete ein Verfahren mit der Bezeichnung Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD). Nach Aussagen des Forschers ist die Atomlagenabscheidung ein einzigartiges Werkzeug, da mit ihrer Hilfe "jeweils stufenweise eine Atomlage eines Materials abgeschieden werden kann". Der Trick dabei sei, die Art und Weise zu steuern, wie sich die Chemikalien auf einer Oberfläche ablagern, die härter ist, wenn das Objekt nicht flach oder konsistent in der Textur ist, wie Dr. Szilágyi erläutert. Er wandte die Atomlagenabscheidung zum Aufbau unvorstellbar präziser und flexibler dünner Filme (Materialschichten) mit einheitlichen Oberflächen und das auch auf dreidimensionalen Objekten wie etwa anorganischen Nanofasern, Kohlenstoffnanoröhren oder sogar auf natürlich vorkommenden Objekten wie Blättern an. Gefährliche Gase nachweisen, Energie gewinnen... und noch vieles mehr Heute hat eine bessere Dünnschichtabscheidung große Bedeutung für Weiterentwicklungen in der Halbleiterindustrie, wo es um die Herstellung von Mikrochips für elektronische Geräte und immer mehr auch um umweltfreundliche Technologien wie etwa Solarzellen zur Energiespeicherung geht. Dr. Szilágyi fand über die Kombination verschiedener Eigenschaften oder das Hinzufügen völlig neuer Funktionalitäten innovative Wege zum Aufbau und zur Verwendung von Nanomustern, mit denen konsistente, steuerbare Strukturen entwickelt werden konnten. Dazu zählen Materialien mit fein abgestimmten Eigenschaften, die gefährliche Gase nachweisen, Solarenergie sammeln und in der Biologie oder der Natur zu findende Oberflächen (d. h. Lotusblätter) kopieren. "Das kopierte 'Nanoblatt' könnte so programmiert werden, dass es auf verschiedene Weise auf Sonnenlicht oder Wasser reagiert und so erhält man neue tolle wasserdichte Materialien für Gebäude, Kleidung und so weiter", erklärt der Forscher. Würde man die Oberfläche des Lotusblatts neu anpassen, wie er hinzufügt, könnten die Oberflächeneigenschaften verschiedener biologischer Gewebe oder Bakterien programmiert und in der Biologie völlig neue Horizonte eröffnet werden. Vielversprechend für die Arbeit des ungarischen Wissenschaftlers ist auch die Fähigkeit, funktionelle Beschichtungen auf Zellulosefasern wachsen zu lassen, um diese in biologisch abbaubare Kunststoffmaterialien einzubringen, die beispielsweise für Karosserieteile verwendet werden können. Dr. Szilágyi frisierte außerdem die Oberfläche flexibler Kunststoffmembranen, die nun Licht oder Elektronen erkennen können. Die resultierenden sogenannten "flexiblen Mehrkanalplatten" seien, wie er verrät, äußerst vielversprechend im Zusammenhang mit neuartigen Nachtsichtgeräten und auch für andere Anwendungen. "Wir erzielten bereits hervorragende Resultate beim Einsatz dieser neuen Abscheideverfahren im Atombereich. Jedoch wurde das Potenzial der Atomlagenabscheidung in der Nanotechnologie bislang keinesfalls im vollen Umfang ausgeschöpft", wagt Dr. Szilágyi eine Prognose. "Aber das Marie-Curie-Stipendium, in dessen Genuss ich zwei Jahre lang kam, hat mir definitiv dabei geholfen, die Grenzen der Atomlagenabscheidung weiter zu stecken." Als Chemiker und Ingenieur erhielt Imre Miklós Szilágyi mehrere Auszeichnungen, darunter den Young Scientist Award der Ungarischen Akademie der Wissenschaften (2010), das János-Bolyai-Stipendium (2011-14) und ein Marie-Curie-Stipendium zur Laufbahnentwicklung. Dank letzterem konnte er seine Arbeit an der Universität Helsinki, Finnland, weiterführen, wo er vom Experten für Atomlagenabscheidung, Professor Markku Leskelä, betreut wurde. Dr. Szilágyi leistete Beiträge zu Büchern, Konferenzen und publizierte in zahlreichen wissenschaftlichen Zeitschriften. Er arbeitet nun nach Ablauf des Stipendiums an der Gründung einer eigenen ALD-Arbeitsgruppe. - Vollständige Bezeichnung des Projekts: "Preparing complex nanostructures by atomic layer deposition" - Projektakronym: Compnanoald - Projektreferenznummer: 235655 - Name/Land des Projektkoordinators: Marie-Curie-IEF-Stipendiat Imre Szilágyi, Universität Helsinki, Finnland - Gesamtprojektkosten 184 759 EUR - Beitrag der EK: 184 759 EUR - Projektbeginn/-ende: Februar 2010 bis Februar 2012 - Weitere Partnerländer: Ungarn