Komplexe Nanostrukturen formen sich von allein

Akkus, Solarzellen, Sensoren oder Membranen: Viele Produkte lassen sich mit filigran strukturierten Nanomaterialien weiter verbessern. Doch die nötigen Fertigungstechniken wie etwa bei der Chipherstellung genutzten Lithografieverfahren sind aufwendig und teuer. Nun haben Wissenschaftler eine günstigere Methode entwickelt: Sie brachten Kunststoffmoleküle dazu, sich völlig selbstständig zu komplexen, dreidimensionalen Nanostrukturen anzuordnen. Dieses Prinzip, das die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ vorstellen, ließe sich künftig auf eine Vielzahl von Substanzen übertragen.

Durch Selbstorganisation entstandene Nanostrukturen

„Wir können nun einzelne Schichten über eine Selbstorganisation übereinanderstapeln und so verblüffend verschachtelte 3D-Strukturen kreieren“, sagt Atikur Rahman vom Brookhaven National Laboratory in Upton. Zusammen mit seinen Kollegen fertigte Rahman eine Vielzahl verschiedener Strukturen aus gestapelten Nanostreifen und Nanosäulen mit exakt definierten Hohlräumen zwischen den einzelnen Bauteilen. Den filigranen Aufbau der Strukturen machten sie mit einem Rasterelektronenmikroskop und für einen tieferen Einblick über die Beugung von Röntgenstrahlung sichtbar.

Als Materialien nutzten die Wissenschaftler zwei Polymertypen: Polystyrol und Polymethylmethacrylat, aus dem auch Acrylglas besteht. Zuerst beschichteten sie eine saubere Oberfläche mit diesen Polymeren. Nach einem kurzen Aufheizen ordneten sich die Polymermoleküle zu gleichförmigen Nanobalken an. Diese Schicht stabilisierte das Team dann mit einer hauchdünnen Lage aus Aluminiumoxid, die wiederum als Plattform für weitere Nanostrukturen – die sich abermals selbstständig aus einer aufgebrachten Polymerschicht bildeten – diente. Dieser Prozess lässt sich prinzipiell mehrere Male wiederholen, um verschiedene komplexe Nanostrukturen aufzubauen.

„Diese Methode der Selbstorganisation ist günstig und auf größere Mengen skalierbar“, sagt Rahmans Kollege Gregory Doerk. „Ganz ohne komplizierte Werkzeuge, die sonst nötig wären, können wir nun präzise Nanostrukturen fertigen.“ In kommenden Versuchen könnte diese Methode nach den vielversprechenden Resultaten mit Polymeren auf weitere Substanzen angewendet werden. So ließen sich in Zukunft nicht nur nanoporöse Membranen etwa für Akkus oder Sensoren, sondern beispielsweise auch elektrisch leitende oder halbleitende Nanostrukturen in schnellen Prozessen produzieren.