Eine Frage der Benetzung

Herstellung freitragender poröser Membranen
und winziger keramischer Ringe

Benetzung heißt das Zauberwort, auf dem eine trickreiche neue Methode von Hui Xu und Werner A. Goedel, Universität Ulm/BASF AG, beruht. Die Forscher stellen damit freitragende Membranen mit sehr einheitlichen Poren her und – in einem zweiten Schritt – mikroskopisch kleine keramische Ringe. Diese Kringel eignen sich z.B. als Strukturelemente für die Mikroelektronik.

Dünne Membranen mit präzise kontrollierten Poren lassen sich durch Herauslösen einer Komponente aus einer strukturierten Matrix herstellen. Problem bisher: Die auf einem festen Träger hergestellten Membranen lassen sich nur schlecht von dieser Unterlage trennen. Goedel und Xu hatten die Idee, eine Wasseroberfläche als Träger einzusetzen. Wasseroberflächen sind jedoch normalerweise nicht durch eine organische Substanz benetzbar, fast alle nicht mit Wasser mischbaren organischen Flüssigkeiten bilden auf der Wasseroberfläche an Stelle einer gleichmäßigen Schicht Linsen (“Fettaugen”). Hier kommt ein neues Prinzip, die “partikelunterstützte Benetzung” ins Spiel: Wird die organische Flüssigkeit mit winzigen hydrophobierten Kieselgel-Partikeln vermischt, binden die Partikel an die Wasseroberfläche und ziehen die organische Flüssigkeit mit, so dass sich auf der Wasseroberfläche eine gemischte dünne Schicht bildet. Der Durchmesser der Kügelchen wurde dabei so gewählt, dass sie oben und unten aus der Schicht herausragen. Nun wird die Flüssigkeit, ein Acrylat, durch Bestrahlung mit Licht vernetzt (polymerisiert). Durch Einwirkung von Flusssäuredämpfen werden dann die Kügelchen herausgelöst. Übrig bleibt eine Polymer-Membran, die dünn und hochporös, dabei aber robust genug ist, um von einem Träger auf einen anderen überführt und freitragend über poröse Substrate gespannt zu werden. Dank der einheitlichen Porengröße ist der neue Membrantyp für Trennaufgaben wie die Ultra- oder Sterilfiltration geeignet.
Oder dient als “Kringel-Gussform”: Die Polymer-Membran wird dazu auf einem festen Träger in die Lösung einer organischen Titanverbindung getaucht, getrocknet und die Titanverbindung durch chemische Reaktion mit feuchter Luft in Titanoxid umgewandelt. Dabei bildet sich eine dünne keramische Schicht an den Porenwänden. Anschließendes Erhitzen entfernt die Membran. Übrig bleiben viele kleine Ringe, deren Außendurchmesser den Membranporen entspricht. Das Erfolgsgeheimnis liegt in der Art der Benetzung: Die Tauchlösung benetzt selektiv das Poreninnere, nicht aber die Grenzfläche der Polymer-Membran. Der Grund könnte darin liegen, dass die Kieselgel-Partikel während der Vernetzung des Acrylats dem Poreninnern eine andere chemische Struktur “aufprägen”. Wurde die Polymer-Membran ohne feste Unterlage eingetunkt, sind die Kringel fest miteinander verbunden, da die sich langsam zersetzende Membran die Ringe so deformiert, dass sie mit einander versintern können. Es entsteht eine stabile keramische Membran aus verbundenen Ringen.