Plastik im Nanomaßstab

Gaithersburg (USA)/Boulder (USA) - Kaum ein Produkt kommt heute ohne Kunststoff aus. Wie die Halbleiter-Strukturen auf einem Computerchip schrumpfen zugleich die Plastikteile bis hinab in den Nanobereich. Das stellt die Hersteller vor unerwartete Herausforderungen, da der gleiche Ausgangswerkstoff dabei seine Schmelz- und Erstarrungseigenschaften gravierend ändert. Amerikanische Materialforscher gehen in einem Perspektiv-Artikel in der Zeitschrift "Science" den Ursachen für das veränderte Verhalten auf den Grund.

"Nach den Entwicklungen der vergangenen 60 Jahre sind die Formprozesse so optimiert, dass man kontrolliert hochqualitative und robuste Polymerteile produzieren kann", schreiben Christopher L. Soles vom National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg und sein Kollege Yifu Ding von der University of Colorado in Boulder. Für hauchdünne Kunststoff-Beschichtungen und Nanometer kleine Produkte nutzt diese Erfahrung heute nur noch wenig. Die Viskosität von geschmolzenen Polymeren, die in Nanoformen gegossen werden, verändert sich dramatisch im Vergleich zu den Eigenschaften in makroskopischen Produktionsprozessen.

Soles und Ding verweisen an erster Stelle auf eine ebenfalls in "Science" veröffentlichte Studie von Harry D. Rowland von der University of Illinois und seinen irischen Kollegen vom Trinity College in Dublin. Mit der Nanoimprint-Lithographie, bei der Strukturen bis auf eine Größe von fünf Nanometern geprägt werden können, produzierten sie kontrolliert Plastikteile aus Polystyrol-Varianten mit unterschiedlichen Molekularmassen (44, 900, 9000 Kilodalton). Diese Makromoleküle bildeten im geschmolzenen Zustand ohne äußere Zwänge winzige Tropfen mit Radien zwischen 6 und 84 Nanometern.

Aus diesen Ausgangsstoffen produzierten die Wissenschaftler mit Prägedrücken von bis zu 500 Megapascal dünne Kunststofffilme mit Dicken zwischen 36 und 170 Nanometer. Da diese Maße teilweise kleiner sind als die ursprünglichen Moleküle selbst, veränderten sich sowohl die Viskositäten als auch der Vernetzungsgrad der Polymere. "Die Experimente zeigen ein Zusammenbrechen der bisher etablierten Skalierungsgesetze in der Polymerphysik", berichten Rowland und Kollegen. Der Flusswiderstand der geschmolzenen Polymere nahm signifikant ab, ebenso wie die Druckbelastung während des Formprozesses.

Strukturuntersuchungen der produzierten Dünnschichtfilme mit gestreuten Neutronen weisen auf die Ursache dieses unerwarteten Verhaltens hin. Die langkettigen Makromoleküle werden auseinandergepresst und überlappen nur noch wenig mit den Nachbarmolekülen. "Die Ketten falten sich in den dünnen Filmen zurück auf sich selbst", erklären Soles und Ding. Zwar fließen die Moleküle dadurch leichter in die vorgegebenen Nanoformen. Doch die Qualität der erstarrten Plastikteile kann nicht mehr so gut gewährleistet werden wie bei größeren Kunststoffprodukten.

Wegen einer geringeren Vernetzung der Polymerketten muss mit einer geringeren Stabilität gerechnet werden. Neben der Erklärung der physikalischen Phänomene gilt es nun, quantitative Daten zu gewinnen. Neben Polystyrol muss auch für andere Kunststoffe die Ursprungsgröße der Makromoleküle auf die Dimensionen des Endprodukts angepasst werden, um Flexibilität und Bruchfestigkeit weiterhin kontrollieren zu können.