Uni Essen: Mit Miniaturen beachtliche Exponate für die Hannover-Messe
105/2001
18. April 2001
Winzlingen, deren Maße sich im Mikro- und Nanometer-Bereich bewegen, gilt an der Universität Essen das besondere Augenmerk von Wissenschaftlern verschiedener Disziplinen. Beachtliche Forschungs- und Entwicklungsleistungen wurden mit solchen Miniaturen bereits erzielt. Das will die Hochschule dokumentieren, wenn sie sich in der Zeit von Sonntag, 22.April, bis Samstag, 28. April, am Gemeinschaftsstand der nordrhein-westfälischen Hochschulen auf der Hannover-Messe beteiligt. Die Arbeitsgruppen der Professoren Dr. Günter Schmid, Anorganische Chemie, und Dr. Herbert P. Jennissen, Physiologische Chemie, sind im "Forschungsland Nordrhein-Westfalen" (Halle 18, 1. Obergeschoss, Stand M 12) vertreten.
Die "Anorganische Chemie" stellt in Hannover ihre gemeinsam mit der Werkstofftechnik betriebenen Arbeiten zur Nanostrukturierung von Oberflächen mit Hilfe poröser Keramiken vor. Ursprung der Kooperation zwischen Natur- und Ingenieurwissenschaftlern ist die Initiative "Materialwissenschaften", die an der Uni Essen seit einigen Jahren fächerübergreifend an der Entwicklung neuer Materialien arbeitet. In diesem Umfeld ist es bei der Beschäftigung mit porösen Keramiken zur Ausgründung eines eigenen Unternehmens (AlCove Surfaces GmbH) gekommen, welches sich erfolgreich mit Entwicklungen für die Medizin- und Implantattechnologien beschäftigt.
Die Verwendung von Keramiken zur Nanostrukturierung von Oberflächen hat zum Ziel, Eigenschaften bekannter Werkstoffe zu verändern bzw. bekannte Materialien mit neuen Funktionen zu versehen. So gelingt es, durch einfachste Prägeprozesse Säulenstrukturen im Bereich von 20 bis zu 300 Nanometern (ein Nanometer = ein Millionstel Millimeter) auf Metall und Kunststoffen zu erzeugen. Das führt zu einer Veränderung der Grenzflächeneigenschaften, die sich an vielen Stellen im Alltagsleben auswirkt. So wird durch die Ausbildung von Halbkugeln mit einem Radius von 250 bis 350 Nanometern auf zum Beispiel Glasoberflächen deren Lichtreflexion deutlich, nämlich um bis zu 10 v. H., verringert. Dieser Effekt beruht auf der Schaffung eines kontinuierlichen Übergangs zwischen der umgebenden Luft und der Glasoberfläche, der so nur durch Nanostrukturen erreicht werden kann. Mit Halbkugeln "bestückte" Gläser werden unter anderem zur Abdeckung von photovoltaischen Zellen verwendet, wodurch sich der Wirkungsgrad in der Stromerzeugung erhöht. Strukturierte Oberflächen können auf vielen Metallen und Kunststoffen erzeugt werden. Nur sehr unzureichend gelingt das bisher allerdings auf dreidimensional geformten Oberflächen. Auch hier problemlos Nanosäulen zu platzieren ist Ziel der Essener Wissenschaftler.
Eine Kombination aus Mikro- und Nanostrukturierung kann einfach und leicht genutzt werden, um die Benetzung von Oberflächen zu verändern. Dieser in der Natur weit verbreitete, von dem Bonner Biologen Barthlott entdeckte Effekt der Selbstorganisation wird ausgenutzt, um etwa Oberflächen leichter reinigen zu können. Die Erzeugung von Mikrostrukturen stellt dabei in der Regel technisch kein Problem dar. Schwieriger ist die Kombination aus Mikro- und Nanostrukturen, aber es ist bereits gelungen, Oberflächen mit den von Barthlott beschriebenen Eigenschaften zu erzeugen.
Darüber hinaus wird in Essen zur Zeit ein Prozess zur Nanostrukturierung von Silizium erforscht. Dieses noch in der Entwicklung befindliche Verfahren basiert - ebenfalls unter Verwendung nanoporöser keramischer Masken - auf lithographischen Ätzprozessen. Ziel ist es, durch einfache Methoden neue funktionale Siliziumoberflächen für Anwendungen im Bereich der Energieerzeugung oder auch der Informationsverarbeitung zu entwickeln.
Die Arbeitsgruppe von Professor Herbert P. Jennissen im Institut für Physiologische Chemie des Universitätsklinikums hat sich seit vielen Jahren mit den Prinzipien der Biosensoren befasst. Wegen zu langer Messzeiten sind ihre Einsatzmöglichkeiten bei Patientenuntersuchungen oder in der klinischen Analytik erheblich eingeschränkt. Biosensoren sind Messfühler, die eine biologische Komponente wie Enzyme, Antikörper oder Zellen enthalten. Deren physikalische oder chemische Veränderung führt in Kontakt mit einem Messwandler zu einen elektronischen Signal. Darüber wird die Bestimmung einer veränderlichen Kenngröße erlaubt.
Der Einsatz von Biosensoren als Hilfsmittel zur Diagnose von Krankheiten oder in der klinischen Analytik erfordert vor allem kurze Messzeiten, die man aber nur bei kurzen Reaktionszeiten und bei der korrekten Erfassung der auf der Oberfläche ablaufenden Reaktionsgeschwindigkeit erreicht. Bei den bisher eingesetzten Sensoren sind solche Messungen durch das Auftreten einer zehn Mikrometer (ein Mikrometer = ein zehntel Millimeter) starken Diffusionsbarriere, einer Mikroschicht, nicht möglich, und man versucht, die auftretenden Fehler durch nachfolgende Computersimulationen zu korrigieren. Häufig jedoch sind die Ergebnisse bei großen Molekülen wie Proteinen fehlerhaft.
Der Arbeitsgruppe von Herbert P. Jennissen hat nach vielen Jahren der Forschung das Barriereproblem mit einer verblüffend einfachen Technik lösen können. Mit Hilfe einer bewegten Luftblase auf der Sensoroberfläche gelang es, eine Flüssigkeitsschicht von nur 50 bis 100 Nanometern Dicke zu erzeugen, die gleichzeitig die
Obergrenze für die Diffusionsbarriere darstellt. Überrascht stellten die Wissenschaftler fest, dass diese Flüssigkeitsschicht die Diffusionsbarriere für große Eiweißmoleküle aufhebt und Echtzeitmessungen der Reaktionsgeschwindigkeit auf der Sensoroberfläche möglich sind. Das Nanoschicht-Prinzip wird, so ist Jennissen überzeugt, zu einer völligen Umgestaltung der Biosensortechnologie führen.
Redaktion: Monika Rögge, Telefon (02 01) 1 83 - 20 85
Weitere Informationen: Dr. Thomas Sawitowski, Telefon (02 01) 1 83 - 43 43;
Professor Dr. Herbert P. Jennissen, Telefon (02 01) 7 23 - 41 25
