Winziger Schutz von Oberflächen 1

Nano-Kapseln mit potenten Füllungen spielen in der Pharmakologie eine wichtige Rolle. Künftig sollen sie auch metallische Bauteile schützen – als Depots für korrosionshemmende Wirkstoffe oder Schmiermittel.

Sie transportieren Medikamente zu erkranktem Gewebe, infiltrieren Krebsgeschwüre und im künstlichen Blutersatz sollen sie schon bald die Rolle der roten Blutkörperchen übernehmen, die Sauerstoff aus der Lunge im Körper verteilen: Nano-Kapseln mit hauchdünnen Wänden aus Kunststoff werden von Pharmakologen hoch geschätzt. Tatsächlich hat Prof. Dr. Christian Mayer von der Universität Duisburg-Essen die Polymer-Kapseln für pharmazeutische Zwecke entwickelt. Doch jetzt will er sie gemeinsam mit Dr. Claudia dos Santos vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart auch bei der Beschichtung von Bauteilen einsetzen. Die Kapseln sollen hierfür mit Schmiermitteln oder Korrosionshemmern gefüllt werden.

Soforthilfe für den Lack
Die Wirkstoff-Depots können Erste Hilfe leisten, wenn beispielsweise ein Kratzer in den Lack kommt: Die Kapseln platzen auf und geben einen korrosionshemmenden Wirkstoff frei, der sich wie ein Pflaster über den angekratzten Lack legt. Diese Soforthilfe ersetzt zwar nicht die Fahrt zur Werkstatt, verhindert aber zunächst, dass das Metall an der defekten Stelle zu rosten beginnt. Man kann nun in aller Ruhe einen Termin für die Reparatur vereinbaren, ohne Angst haben zu müssen, dass größere Korrosionsschäden auftreten. Mit Schmiermittel gefüllte Nano-Kaspeln können helfen, Lager, Getriebe und Kolben vor dem Trockenlaufen zu schützen. Die integrierten Schmiermittelreserven verhindern gravierende Schäden, bis das System zum Stillstand gekommen ist. Dafür bedarf es nicht viel. Gleitmittel zeigen bereits in homöopathischen Dosen Wirkung: „Schon wenige Moleküle Öl auf der Oberfläche verringern die Reibung erheblich“, erklärt dos Santos. Übrigens sei auch bei Korrosionsinhibitoren die Menge nicht ausschlag-gebend – wichtig sei nur, dass der Wirkstoff effizient ist.

Nickelschicht ohne Kapseln

Nickelschicht mit Kapseln

Die Polymer-Kapseln, die dos Santos und Mayer in metallische Schichten einbauen, sind durchschnittlich 300 Nanometer klein. Theoretisch lassen sie sich gut mit Nickel-Kupfer und anderen Metallionen mischen, mit denen sich Bauteile im galvanischen Bad elektrochemisch beschichten lassen. Praktisch liegt die Tücke im Detail, erklärt die Ingenieurin: „Zu große Kapseln reduzieren die mechanische Stabilität der Schicht. Im Mittel sind galvanische Beschichtungen zwischen 30 und 50 Mikrometer stark. Einen zehn- bis zwanzigprozentigen Anteil an Nano-Kapseln verkraften sie problemlos.“ Die Voraussetzung ist, dass sich die Kapseln einzeln und gleichmäßig in der Schicht verteilen.

Das tun sie jedoch nicht freiwillig: Je kleiner Partikel sind, desto größer ist ihre Oberfläche im Verhältnis zu ihrer Masse. Im Bestreben, ihre Oberfläche zu verringern, ballen sie sich zusammen, sie verclustern. Aus nanometergroßen Kapseln können schnell mikrometergroße Agglomerate entstehen, die nicht nur die Schicht schwächen, sondern auch als optische Defekte sichtbar werden.

Um die Nano-Kapseln zu vereinzeln, setzt Mayer elektrostatisch geladene Stabilisatoren ein. Die Tenside umhüllen die Polymer-Kapseln, stabilisieren sie im galvanischen Bad und halten sie gleichzeitig durch gleichnamige elektrische Ladung auf Abstand. Auf diese Weise gelang es den Forschern Beschichtungen herzustellen, in denen die Nano-Kapseln ziemlich gleichmäßig verteilt sind. Gute Erfolge erzielten die Experten bereits mit schmiermittelgefüllten Kapseln. Kniffliger wird es bei den Korrosionshemmern – ihre polymere Hülle wirkt wie eine halbdurchlässige Membran, die zwar den eigentlichen Wirkstoff einsperrt, Lösungsmittel jedoch passieren lässt. „Wir haben eine sehr konzentrierte Lösung in den Kapseln und eine sehr konzentrierte Lösung draußen.

Dadurch baut sich ein starker osmotischer Druck auf, und den müssen die Kapseln aushalten“, erklärt Mayer. Das von der Volkswagen-Stiftung geförderte Projekt läuft noch bis Ende des Jahres, doch die Forschung wird auch danach noch weitergehen, da sind sich die Experten einig.

Wirkstoff-Depots für alle Gelegenheiten
Fasziniert von den Möglichkeiten der Nano-Technik ist auch ein interdisziplinäres Wissenschaftlerteam, das an selbstheilenden Schichten arbeitet. Dr. Andreas Dietz vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig, Prof. Dr. Guido Grundmeier von der Universität Paderborn und Dr. Dmitry Shchukin vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Golm bei Potsdam sprechen allerdings nicht von Nano-Kapseln, sondern von Nano-Behältern oder Nano-Containern.

Diese integrieren die Forscher sowohl in Lack- als auch in Metallschichten. Dort sollen die Container Wirkstoffe bereit halten, die im Falle eines Schadens, beispielsweise eines Kratzers, austreten, wahlweise aber auch im Fall von Temperaturschwankungen oder einem veränderten pH-Wert – einem Indikator für Korrosion. Dmitiry Shchukin vom MPI in Golm ist Spezialist für die mikroskopisch kleinen Container. Sein Team arbeitet mit Halloysiten, natürlich vorkommenden Nano-Röhrchen aus Tonerde, Polymeren, die den Wirkstoff einkapseln und mit feinporigen, anorganischen Verbindungen, die sich mit dem Wirkstoff vollsaugen. „Für den Korrosionsschutz verwenden wir anorganische Container aus Titanium-Oxid oder Silizium-Oxid und für die Schmiermittel Container aus Polymeren. Polymer-Container sind weniger stabil, zerplatzen aber leichter bei einem mechanischen Angriff“, erläutert Shchukin.

Interesse an Nano-Containern hat stark zugenommen
Besonders spannend ist für die Forscher das Verhalten der Container in der Schicht. „Verschiedene Container-Sorten sollen sich während der Abscheidung dort lokalisieren, wo sie benötigt werden“, erklärt Grundmeier. So sollten zum Beispiel Wirkstoffe, die Korrosion verhindern, an der Grenzfläche zwischen Metall und Polymer zu liegen kommen, Nano-Container mit Stoffen, die die Reibung vermindern, hingegen an der Oberfläche. Entscheidend dafür, wo ein Container eingebaut wird, ist seine Umhüllung: Diese wollen die Wissenschaftler mit einer bestimmten Ladung versehen oder mit chemischen Funktionsgruppen ausstatten, die bevorzugt an bestimmten Stoffen anbinden. „Im Moment ist das noch sehr viel Becherglas-Chemie“, räumt Grundmeier ein. Die Arbeiten seien jedoch essenziell für die Entwicklung einer industriellen Prozesstechnologie.

Tatsächlich hat das Interesse der Industrie an Nano-Containern in Schichten stark zugenommen – das spüren auch die Spezialisten in Golm: Die Forscher in der Abteilung Grenzflächen beschäftigen sich seit zehn Jahren mit den winzigen Behältern. „Seit zwei, drei Jahren verzeichnen wir eine verstärkte Nachfrage von Unternehmen“, erzählt Shchukin. Eine Entwicklung, die Dietz nicht überrascht: „Bisher konnte man nur feste und reaktionsträge Stoffe in Schichten integrieren. Mit den Nano-Containern schafft man es, auch flüssige Wirkstoffe oder chemisch reaktionsfreudigere Stoffe einzubauen. Dadurch erhält man auf lange Sicht Beschichtungen mit ganz neuen, maßgeschneiderten Funktionen.“