Konstruieren im Mikrobereich 22.05.2013, 08:00 Uhr

Komplexe Strukturen: Blumenwiese aus dem Labor

US-Forscher manipulieren die Selbstorganisationskräfte von Werkstoffen, um komplexe Strukturen zu formen. Damit lassen sich künftig neue Katalysatoren und optische Systeme herstellen.

Nanoblumen aus Kristallen gezüchtet:  Sie sind nur wenige tausendstel Millimeter groß und auf Glasscheiben gewachsen. Unter dem Elektronenmikroskop sind die Strukturen sichtbar. Eine Software sorgt für die Nachkolorierung.

Nanoblumen aus Kristallen gezüchtet:  Sie sind nur wenige tausendstel Millimeter groß und auf Glasscheiben gewachsen. Unter dem Elektronenmikroskop sind die Strukturen sichtbar. Eine Software sorgt für die Nachkolorierung.

Foto: Wim Noorduin

Amerikanische Forscher haben die Welt mit Farbbildern von blumenähnlichen Objekten überrascht, die sie auf Glasscheiben wachsen ließen. Sie sind wenige tausendstel Millimeter groß und nur unter dem Elektronenmikroskop zu sehen. Eine Software koloriert die ursprünglichen Schwarz-Weiß-Bilder.

Was wie Spielerei anmutet hat einen seriösen Hintergrund. Die Forscher der Harvard School of Engineering and Applied Sciences im amerikanischen Cambridge haben gezeigt, dass sie komplexe Formen im Mikrometerbereich erzeugen können. Wenn sie die Technik noch verfeinern, glauben sie in der Lage zu sein, etwa Katalysatoren oder optische Bauteile mit ganz bestimmten Eigenschaften herzustellen.

Die Harvard-Chemiker machen sich die Selbstorganisationskräfte der Ausgangswerkstoffe zunutze. Diese sorgen dafür, dass zwei Moleküle oder Atome eines Stoffes sich in einer ganz bestimmten Art aneinander ketten. Vergleichbar ist das mit den Kräften, die Eispartikel dazu bringen, wunderschöne Eisblumen zu formen.

Welche Formen die Selbstorganisationskräfte bilden hängt von den äußeren Bedingungen ab, in denen der Konstruktionsprozess stattfindet. Dazu zählen Temperatur, ph-Wert und Kohlendioxidkonzentration. In der Natur wird das beispielsweise an Muschelschalen deutlich. Wenn sich die Chemie des umgebenden Wassers während des Wachstumsprozesses nur minimal ändert, wechselt oft schlagartig die Farbe. Die Schalen bekommen ein Streifenmuster.

Die US-Wissenschaftler experimentierten mit Bariumchlorid und Natriumsilikat, das sie in Wasser lösten. Als sie Kohlendioxid einleiteten wuchsen auf der gläsernen Unterlage Bariumsilikatkristalle, die den ph-Wert senkten, die Lösung also saurer machten. Spontan bildeten sich auf den schon entstandenen Kristallen Silikate, die den ph-Wert wieder steigen ließen, sodass sich wieder Carbonat bildete. Ohne Einfluss von außen entstehen auf diese Weise einfache Schichtstrukturen aus Carbonaten und Silikaten.

Tauchgang mit dem Elektronenmikroskop

Einfluss auf deren Form nahmen die Forscher, indem sie Kohlendioxid unterschiedlicher Konzentration einleiteten, und das nicht kontinuierlich, sondern pulsierend. Daraufhin entstanden auf den Oberflächen der Kristalle Rippen, die an die Verdickungen von Blättern erinnern. Durch Veränderung des ph-Werts konnten sie die Wachstumsrichtung der Strukturen verändern, sodass blütenblattähnliche Gebilde entstanden. So schufen die Forscher Strukturen, die an prächtige Blumenwiesen und andere Naturschauspiele erinnern.

„Wenn man die Bilder des Elektronenmikroskops sieht fühlt man sich wie ein Taucher im Ozean, der Korallenfelder oder farbenprächtige Schwämme beobachtet“, schwärmt Wim L. Noorduin, der zum Forscherteam gehört. „Manchmal vergesse ich dann vor lauter Staunen Bilder zu machen.”

Von Wolfgang Kempkens Tags:

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