Technologie

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Indian Institute of Technology Guwahati (IITG) haben ein Oberflächenmaterial entwickelt, das Wasser fast vollständig abweist. Mit einem neuen Verfahren veränderten sie metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) mithilfe von Kohlenwasserstoffketten. Die entstandenen superhydrophoben Eigenschaften sind für selbstreinigende Oberflächen interessant, die robust gegenüber Umwelteinflüssen sein müssen, beispielsweise bei Automobilen oder in der Architektur.

MOFs (engl. für Metal-Organic Frameworks) bestehen aus Metallen, die durch Verbindungsstreben aus organischen Molekülen zu Netzwerken mit leeren Poren verbunden sind, ähnlich wie bei einem Schwamm. Ihre Volumeneigenschaften – würde man zwei Gramm dieses Materials entfalten, erhielte man die Fläche eines Fußballfeldes – machen sie interessant für Anwendungsbereiche wie die Gasspeicherung, Kohlendioxidabscheidung oder neue Technologien im Bereich Medizin.

Doch auch die Außenflächen dieser kristallinen Materialien bieten einzigartige Möglichkeiten. Nach der Verankerung von Kohlenwasserstoffketten auf dünnen MOF-Filmen ist ein Wasserkontaktwinkel von mehr als 160 Grad zu beobachten.

Bemerkenswerterweise erhöhte sich der Wasserkontaktwinkel auch nicht durch eine Perfluorierung der Kohlenwasserstoffketten, also durch ein Ersetzen der Wasserstoffatome durch Fluor. Bei Materialien wie Teflon führt Perfluorierung zu besonders wasserabweisenden Eigenschaften. Bei dem neu entwickelten Material habe sie den Wasserkontaktwinkel aber sogar deutlich verringert, so das Team. Weitere Analysen in Computersimulationen hätten bestätigt, dass die perfluorierten Moleküle – anders als die Kohlenwasserstoffketten - nicht den energetisch günstigen Zustand hoher Entropie annehmen können.

Darüber hinaus variierte das Forschungsteam die Oberflächenrauheit ihrer SAM@SURMOF-Systeme im Nanometerbereich. Dadurch gelang es, die Haftung weiter zu reduzieren. Wassertropfen beginnen dann schon bei extrem kleinen Neigungswinkeln abzurollen, die wasserabweisenden bzw. selbstreinigenden Eigenschaften werden nochmals deutlich erhöht.

Einem internationalen Team von Wissenschaftler*innen unter der Leitung von Dr. Lukas Bruder, Nachwuchsgruppenleiter am Physikalischen Institut der Universität Freiburg, ist es gelungen, hybride Elektron-Photon Quantenzustände in Helium-Atomen zu erzeugen und diese direkt zu kontrollieren. Mit dem Freie Elektronen Laser FERMI in Triest, Italien, erzeugten sie hierfür speziell präparierte extrem-ultraviolette Lichtpulse mit hoher Intensität. Die Kontrolle der Quantenzustände erreichten die Wissenschaftler*innen durch eine neue Technik zur Laserpulsformung.

Solange Elektronen an ein Atom gebunden sind, können sie nur bestimmte Energien haben. Die Werte dieser Energieniveaus hängen zunächst von den Atomen selbst ab. Befindet sich ein Atom im Strahl eines sehr intensiven Lasers, kommt es allerdings zu Verschiebungen der Energieniveaus. Es entstehen hybride Photon-Elektron Zustände. Diese treten bei Laserleistungen zwischen zehn und hundert Billionen Watt pro Quadratzentimeter auf. Um diese speziellen Quantenzustände erzeugen und kontrollieren zu können, sind deshalb Laserpulse notwendig, die eine solche Leistung innerhalb eines Zeitfensters von ein paar Billiardstel Sekunden erreichen.

Für ihr Experiment nutzten die Wissenschaftler*innen den Freie Elektronen Laser FERMI. Mit diesem Laser lässt sich Laserlicht im extrem-ultravioletten Spektralbereich mit sehr hoher Intensität erzeugen. Diese extrem-ultraviolette Strahlung hat eine Wellenläge von weniger als 100 Nanometern, was nötig ist, um die Elektronenzustände im Helium-Atom anzusprechen.

Um die Elektron-Photon-Zustände zu kontrollieren, verwendeten die Forschenden Laserpulse, die je nach Szenario auseinanderliefen oder gestaucht wurden. Dies erreichten sie, indem sie die zeitliche Verzögerung der verschiedenen Farbanteile des Lichts steuerten. Die Eigenschaften der Laserpulse wurden mithilfe eines sogenannten Seed-Laser-Pulses kontrolliert, der die Emission des Freie Elektronen Lasers vorkonditioniert.

Diese neu entwickelte Technik eröffnet ein neues Forschungsfeld: Es ergeben sich neue Möglichkeiten, Experimente mit Freie Elektronen Lasern deutlich effizienter und selektiver zu machen. Es können neue Einblicke in fundamentale Quantensysteme gewonnen werden, die mit sichtbarem Licht nicht erreichbar sind. Insbesondere könnten nun Methoden entwickelt werden, um chemische Reaktionen mit atomarer Präzision zu untersuchen oder gar zu steuern.

Einem Team von Forscher*innen der Universität zu Köln, der Universität Hasselt (Belgien) und der University of St Andrews (Schottland) ist es gelungen, das quantenmechanische Prinzip der starken Kopplung für eine bahnbrechende optische Technologie nutzbar zu machen, um das seit langem bestehende Problem der Winkelempfindlichkeit in optischen Systemen zu überwinden.

Optische Filter sind für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Bislang nimmt ihre Leistung aber erheblich ab, wenn das Licht in unterschiedlichen Winkeln auf sie trifft, da sich die vom Filter durchgelassene Lichtfarbe je nach Betrachtungswinkel verändert. Diese Leistungsabnahme hat fundamentale Gründe und kann zum Beispiel die Genauigkeit von optischen Sensoren stark beeinträchtigen.

Der von dem internationalen Team entwickelte Lösungsweg macht sich ein Prinzip aus der Quantenmechanik zunutze: Bei starker Kopplung von Lichtteilchen an die Energiezustände eines organischen Materials entstehen sogenannte Polaritonen.

Traditionelle Dünnschichtfilter bestehen aus vielen, sich abwechselnden transparenten Schichten, häufig Metalloxid-Schichten. Licht wird an diesen einzelnen Schichten jeweils teilweise reflektiert oder transmittiert. Die Dicke der einzelnen Schichten bestimmt dabei durch konstruktive und destruktive Überlagerung der Lichtwellen den Farbeindruck, vergleichbar etwa mit den schimmernden Farben von Seifenblasen. Durch das kontrollierte Zusammenspiel vieler solcher Schichten können die Transmissions- und Reflektionseigenschaften von Filtern präzise eingestellt werden. Dieses Prinzip macht die Filter aber grundlegend anfällig für die sogenannte Winkeldispersion – eine Verschiebung der spektralen Eigenschaften zu kleineren Wellenlängen (Blauverschiebung) beim Verkippen des Filters. In dem neuen Ansatz bringen die Wissenschaftler*innen stark absorbierende organische Farbstoffe in optische Filter ein, was zu einer starken Kopplung des interferierenden Lichts mit den Farbstoffen führt.

Das Team konnte mit diesem Ansatz Filter mit außergewöhnlicher Winkelstabilität herstellen, die selbst bei extremen Betrachtungswinkeln von über 80° eine Spektralverschiebung von weniger als 15 nm zeigten. Komplexe Vielschicht-Designs zeigten außerdem Spitzentransmissionswerte von bis zu 98 Prozent – ein Wert, der den aktuell besten verfügbaren herkömmlichen Filtern in nichts nachsteht.

Die Studie zeigt Möglichkeiten auf, die Technologie auf Polymere, Perowskite, Quantenpunkte und andere Materialien zu erweitern und damit das neue Filterprinzip auf einen noch größeren Wellenlängenbereich zu übertragen. Zu den möglichen Anwendungsgebieten der Polaritonfilter gehören Mikrooptik, Displays, Sensortechnologien und Biophotonik. In all diesen Bereichen kann die Winkelunabhängigkeit der neuen Filter das Design optischer Systeme drastisch vereinfachen und ihre Funktionalität erweitern.