Materiales que simultáneamente tienen propiedades contrastantes, por ejemplo, son suaves por un lado y duros por el otro, con una transición gradual entre las dos propiedades, podría permitir aplicaciones completamente nuevas como lentes antirreflectantes. En naturaleza, tales propiedades de fusión son de hecho comunes, por ejemplo en mejillones o en el ojo humano. Los científicos de materiales de la Universidad de Kiel han estado utilizando este principio para desarrollar nuevos materiales a nanoescala. Ahora han logrado producir películas de copolímero ultrafinas con propiedades que varían gradualmente. Como recubrimientos multifuncionales, podrían permitir aplicaciones ópticas y electrónicas complejas en formato miniatura, por ejemplo para microelectrónica. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista Materiales hoy y también aparece en la portada del número.

Propiedades materiales inspiradas en la naturaleza

Los mejillones pueden adherirse con tanta firmeza a las piedras o los muelles que la corriente del mar no los puede desprender. Para que el tejido blando dentro de la concha de mejillón se acople de manera estable a la superficie dura de una piedra, los mejillones forman hilos adhesivos elásticos, por ejemplo, que se vuelven cada vez más difíciles hacia el final. Esto se debe a la mezcla de proteínas que cambia uniformemente de un extremo al otro dentro de la fibra.

Basado en este principio de la naturaleza, Los científicos de materiales de Kiel desarrollan materiales delgados únicos con propiedades de fusión similares, las denominadas películas delgadas de gradiente. "Lograr esto, Combinamos dos materiales con diferentes propiedades a nivel nano, "explica Stefan Schröder. Es el primer autor del estudio y actualmente está haciendo su doctorado en la Cátedra de Materiales Multicomponentes. El estudio muestra una manera de sintetizar gradientes como películas de polímero ultradelgadas por primera vez. Schröder y sus colegas combinaron politetrafluoroetileno (PTFE, más conocido bajo el nombre comercial "Teflon") con el polímero PV3D3. La combinación de materiales resultante podría usarse, por ejemplo, para revestir aviones, refrigeradores, o frentes de vidrio para que sean más fáciles de descongelar.

Para este propósito, Schröder y sus colegas aprovecharon las diferentes propiedades de los dos polímeros:el teflón no solo es conocido por sus propiedades antiadherentes, su superficie también es hidrofóbica. Por lo tanto, lo ideal es que las gotas de agua rueden inmediatamente o se congelen solo un poco, lo que también facilita la eliminación del hielo. Pero el teflón en sí mismo es difícil de aplicar a otras superficies. PV3D3, por otro lado, se caracteriza por buenas propiedades adhesivas. Al combinar gradualmente los dos materiales a nivel nano, el equipo de investigación pudo unirse a ellos en una transición sin problemas. Por un lado, la unión es particularmente buena, y por otro lado, se conservan diferentes propiedades. El resultado es un material de recubrimiento con una parte superior repelente al agua y una parte inferior bien adherida.

Recubrimientos finos de polímero:no es tan fácil de producir

Pero revestir superficies con polímeros de manera controlada no es tan fácil. Ya existen procesos de deposición de vapor o de pulverización catódica para el recubrimiento con metales o materiales cerámicos, que también se han utilizado a gran escala industrial durante décadas. Sin embargo, los polímeros no pueden simplemente vaporizarse o pulverizarse sin descomposición. La científica estadounidense Karen K. Gleason proporciona un remedio con la técnica de deposición química de vapor iniciada (iCVD) que desarrolló a mediados de la década de 1990 en el Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT. donde Schröder pasó una estancia de investigación en 2017.

"En este proceso, se alimenta un gas junto con un gas iniciador a una cámara de reacción en la que se encuentra una superficie de sustrato. El calor hace que los enlaces químicos del iniciador se rompan y comience una reacción en cadena. "explica el profesor supervisor de doctorado Franz Faupel, titular de la Cátedra de Materiales Compuestos y miembro del área de investigación KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) en CAU. De esta manera, una fina película de polímero "crece" sobre la superficie del sustrato a partir de los gases introducidos.

Los científicos de materiales de Kiel dieron un paso más. Utilizaron el proceso iCVD no solo para crear una capa delgada de polímero, sino que simultáneamente también unieron dos polímeros en una transición gradual. Después de introducir el monómero V3D3, agregaron el material de partida para la deposición de PTFE y aumentaron continuamente su concentración. Al mismo tiempo, bajaron el de V3D3, de modo que ambos formen una película de polímero sobre el sustrato con una transición gradual de un polímero PV3D3 puro a una película de PTFE puro a partir de la superficie del sustrato.

Una nueva clase de nanomateriales de gradiente orgánico

Durante la técnica iCVD, numerosos procesos tienen lugar en paralelo. "Si se cambian parámetros individuales como la temperatura del sustrato o la presión del gas monómero en el reactor, el material final adquiere diferentes propiedades. Sin embargo, encontrar los parámetros correctos para las propiedades deseadas es muy complejo, "explica Schröder. Por lo tanto, equipó el sistema iCVD convencional de su silla con un espectrómetro de masas cuadrupolo de fuente de iones abierta. Permite la observación de los procesos en la cámara de reacción in situ y ajustar la composición de la mezcla de gases del iniciador y los dos monómeros al mismo tiempo.

Debido a este control de alta precisión, el equipo de investigación pudo sintetizar una capa de gradiente de polímero que tiene solo 21 nanómetros de espesor. A modo de comparación:el cabello humano tiene un diámetro de aproximadamente 50, 000 nanómetros. Previamente, sólo habían sido posibles los gradientes macroscópicos. "Una película de gradiente tan delgada es prácticamente un récord mundial y prácticamente una nueva clase de nanomateriales de gradiente orgánico, "dice el Dr. Thomas Strunskus, un investigador asociado en el grupo de trabajo. "Especialmente para aplicaciones en óptica, Los revestimientos de solo unos pocos nanómetros son cruciales para no perjudicar las propiedades ópticas de las ventanas o lentes. por ejemplo. "Los primeros proyectos con socios industriales del sector de la tecnología de revestimiento y aire acondicionado ya están en preparación.

Las posibles aplicaciones van desde microelectrónica y sensores hasta óptica y biomedicina.

El proceso presentado en el estudio también se puede utilizar para realizar otras combinaciones de polímeros con nuevas propiedades físicas y químicas del material. Las películas de polímero delgadas en nanómetros también son interesantes, por ejemplo, para componentes y sensores microelectrónicos flexibles en tecnología MEMS (sistemas microelectromecánicos) o máquinas moleculares que transfieren procesos mecánicos a la nanoescala.

Los resultados ahora publicados también se incorporarán al trabajo de varias asociaciones de investigación bajo el paraguas de KiNSIS. Estas son herramientas fundamentales para la ciencia de los materiales. Las aplicaciones van desde la mejora de la adhesión de capas funcionales en sensores y el desarrollo de materiales para la liberación controlada de fármacos en máquinas moleculares, "dice Faupel.