Moleküle bewegen sich auf unebenem Gelände schneller

21.01.2020 - Belgien

Rauheit, das Vorhandensein von Unregelmäßigkeiten auf einer Oberfläche, wird häufig mit einer langsameren Bewegung und Klebrigkeit in Verbindung gebracht. Dies gilt für verschiedene Längenmaßstäbe: Bei menschlicher Größe (1 Meter) dauert es länger, einen Weg zu gehen, der auf und ab geht, als auf einer flachen Straße. Bei der Größe kleinerer Objekte (1/100 - 1/1000 Meter) verwenden die Italiener Nudelformen mit einer rauen Oberfläche, z.B. Rigatoni, um bessere Klebeflächen für die Tomatensauce und den Käse zu erhalten. Bisher konnte jedoch kein Experiment testen, ob das Verhalten der Moleküle wirklich dem beim Menschen beobachteten Trend folgt.

Cristian Rodriguez-Tinoco und ein Team der Université Libre de Bruxelles (ULB) unter der Leitung von Simone Napolitano zeigen in Physical Review Letters, dass sich große Moleküle in der Nähe von rauen Oberflächen im Nanometerbereich tatsächlich schneller bewegen. Ihre Experimente zeigen deutlich, dass der weit verbreitete Glaube, dass Oberflächenunregelmäßigkeiten es Molekülen ermöglichen, besser auf einer Oberfläche zu haften, in Wirklichkeit falsch ist. Wenn die Größe der Oberflächenrauhigkeit, also der durchschnittliche Abstand zwischen den winzigen Hügeln und Tälern auf der Oberfläche eines Materials, auf wenige Nanometer (1 nm = ein Milliardstel Meter) reduziert wird, beginnen sich die Moleküle des Polymertyps P4ClS schneller zu bewegen.

Die Erkennung von Molekularbewegungen ist nicht einfach: Moleküle bewegen sich schnell (sogar bis zu 1 Million und mehr Schritte pro Sekunde) und ihre Verschiebungen sind zu klein, um sie mit dem Mikroskop zu beobachten. Die Durchführung solcher Experimente auf einer rauen Oberfläche ist noch komplizierter, da diese uneben ist und die Größe und Verteilung der Unebenheiten der Oberfläche nur schwer einzustellen ist. Das ULB-Team hat es geschafft, durch kontrolliertes Verdampfen des Metalls eine raue Oberfläche von Aluminium zu bilden. Um zu messen, wie schnell sich die Moleküle bewegen, haben die Forscher schwache elektrische Felder angelegt und aufgezeichnet, wie schnell die Moleküle auf den Stimulus reagieren.

Überraschenderweise hat das Team festgestellt, dass sich Moleküle in der Nähe eines rauen Substrats so verhalten, als ob sie von weniger Nachbarn umgeben wären, was erklärt, warum sie schneller statt langsamer werden. Dieser Trend steht in klarem Widerspruch zu den Vorhersagen von Computersimulationen, die vorschlugen, dass sich Moleküle in der Nähe einer rauen Wand langsamer bewegen. Anders als in den Simulationen betrachtet, sitzen die Polymermoleküle nicht gerne in der Nähe von rauen Substraten. Aufgrund der Art und Weise, wie sich diese Moleküle gerne im Raum anordnen, entfernen sie sich lieber von den Unebenheiten. Die wenigen Moleküle, die in der Nähe der Unebenheiten vorhanden sind, bilden weniger Kontakt mit der Wand, können mehr freies Volumen genießen und bewegen sich folglich schneller.

Durch den Austausch ihrer Ergebnisse mit einer Gruppe von Theoretikern des Dartmouth College (USA) unter der Leitung von Jane Lipson konnte das ULB-Team eine starke Verbindung zwischen der Art und Weise finden, wie Hügel und Täler auf einer rauen Oberfläche organisiert sind und wie sich die Moleküle bewegen. Die Theoretiker haben gezeigt, dass eine sehr kleine Veränderung des freien Volumens um ein Molekül herum einen enormen Mobilitätsschub auslöst, und die Vorhersagen ihrer Berechnungen stimmen mit den Experimenten perfekt überein.

Dieses Papier zeigt, dass die derzeitige Art und Weise, wie wir an Schnittstellen denken, nicht gültig ist. Dieser neu beobachtete molekulare Trend hat somit enorme Auswirkungen auf der Ebene der Grundlagenforschung. Die Arbeit des ULB-Teams konnte bei einer Vielzahl von Anwendungen genutzt werden. Seit fast einem Jahrzehnt haben mehrere Forschergruppen gezeigt, dass die Eigenschaften vieler dünner Schichten - wie z.B. die Fließfähigkeit, die Fähigkeit, Wasser zurückzuhalten oder abzustoßen, die Geschwindigkeit der Kristallbildung - von der Anzahl der Kontakte zwischen dem Film und seinem Trägersubstrat abhängen. Um diese Zahl zu verändern, war es bisher notwendig, die Art der Moleküle an der Grenzfläche zu verändern, was oft mit komplexen chemischen Reaktionen verbunden ist. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, die Leistung von Nanomaterialien durch einfache Veränderung der Oberflächenrauheit zu beeinflussen. Diese Methode erlaubt es also, die Polymerschicht zu steuern, ohne sie zu berühren, wie mit einer Fernbedienung!

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