Selbstanordnung

Ordnung oder Chaos durch kontrollierte Wechselwirkungen

Die Selbstanordnung von monodispersen kolloidalen Partikeln führt zu gut definierten nanostrukturierten Materialien. Solche Systeme können zur Herstellung hierarchisch strukturierter Hybridmaterialien oder als Template-Maske, beispielsweise für die Nanosphären-Lithographie, verwendet werden. Unser Übersichtsartikel in Chemical Reviews bietet einen umfassenden Überblick über die Herstellung komplexer Nano- und Mesostrukturen, die durch kolloidale Selbstanordnung zugänglich sind.

Wir entwickelten eine Methode zur Herstellung großflächiger, qualitativ hochwertiger kolloidaler Einzellagen. Dies wird durch einen Grenzflächen-Selbstorganisationsprozess an der Luft-Wasser-Grenzfläche erreicht. Durch das Zusammenspiel von Kapillarkräften mit großer Reichweite und elektrostatischer Abstoßung mit kurzer Reichweite werden monodisperse Polymerkugeln zu einer hexagonalen Wabenstruktur zusammengefügt. Diese Methode kann weiter ausgedehnt werden, um Hetero-Einzelschichten herzustellen, die aus verschiedenen Arten von Partikeln bestehen, die zusätzlich auf einer beliebigen µm-Form angeordnet werden können. Gezieltes Verstrecken derartiger Einzellagen entlang nur einer Richtung erlaubt darüber hinaus die Herstellung nicht-hexagonaler Strukturen. Dies stellt eine deutliche Erweiterung der bislang zugänglichen Symmetrieklassen dar.

Selbstanordnung kann auch eingesetzt werden, um dreidimensional geordnete kolloidale Kristalle herzustellen. Auch hier stehen eine Vielzahl verschiedenster Herstellungsmethoden zur Verfügung. Tauchbeschichtungen erlauben hierbei einen einfachen Zugang zu hoch-geordneten Strukturen. Anhand einer Abfolge von Abscheidungs-, Infiltrations- und Kalzinierungszyklen haben wir eine Methode zur Herstellung hierarchisch strukturierter inverser Opale demonstriert. Sie ermöglicht es, eine Reihe von Materialien wie SiO₂, TiO₂ oder Al₂O₃ auf verschiedenen Längenskalen zu kombinieren. Inverse Opale weisen aufgrund ihrer periodischen Änderung des Brechungsindexkontrastes Strukturfarben auf.

Einfaches Abfiltrieren kolloidaler Dispersionen unterdrückt die Ausbildung langreichweitig geordneter Bereiche und stellt eine flexible Möglichkeit dar, freistehende, je nach Bedarf auch mesoskopisch strukturierte, Tabletten herzustellen. Gerade für das Verständnis von thermischer Isolation sind derartige partikuläre Strukturen wertvoll.

Unsere Arbeiten im Bereich Selbstanordnung sind einerseits von ganz grundlegender Natur, in der wir uns mit Fragen der Symmetrie und der Beschreibung kontrollierter Unordnung beschäftigen. Andererseits bilden diese Arbeiten die Grundlage für viele Materialien, deren Strukturierung einen entscheidenden Einfluss auf ihre optischen, thermischen, elektrischen oder mechanischen Eigenschaften hat.

• DFG Sachbeihilfe