Eines für alles

Die inneren Werte und das Äussere sind zwei Paar Stiefel, auch in der Materialwissenschaft. So kommt es vor, dass für eine technische Anwendung ein bestimmtes Material grundsätzlich hervorragend geeignet wäre, wenn da nicht seine unvorteilhafte Oberfläche wäre.

Materialwissenschaftler lösen dieses Problem, indem sie das Material beschichten. Beispielsweise um dessen Oberfläche gleitfähiger zu machen oder – etwa bei Anwendungen unter Wasser oder im biomedizinischen Bereich – um zu verhindern, dass sich darauf mit der Zeit ein Belag mit Algen beziehungsweise mit Proteinen oder Bakterien bildet. Um beispielsweise Metalle vor Bewuchs zu schützen, kommen häufig wasseranziehende Polymere zum Einsatz. Solche Polymerschichten lagern Wassermoleküle ein und verhindern so, dass sich andere unerwünschte Moleküle ablagern können.

Viele der derzeit verwendeten Beschichtungen sind nicht sehr beständig gegen äussere Einflüsse, da sie chemisch nur über eine schwache elektrostatische Bindung mit dem Material verbunden sind. Andere bestehende Beschichtungsprozesse sind in der Anwendung meistens sehr aufwendig und benötigen mitunter giftige Lösungsmittel.

Feste chemische Bindung an mehrere Materialien

Wissenschaftler um Nicholas Spencer, Professor für Oberflächentechnik, und Forscher des ETH-Spin-offs Susos suchten daher nach einer einfachen Lösung, oberflächenaktive Moleküle mit einer festen – sogenannt kovalenten – chemischen Bindung an Oberflächen zu binden. Und zwar so, dass man damit unterschiedliche Materialien beschichten kann, sowie Geräte, die aus mehreren verschiedenen Materialien zusammengesetzt sind. «Wir wollen ein Beschichtungs-Polymer, das so vielseitig anwendbar ist wie ein Schweizer Taschenmesser», sagt Spencer.

Ein solches zu entwickeln, ist den Wissenschaftlern auch gelungen. Das Molekül hat ein langes «Rückgrat». Von diesem gehen einerseits wasseranziehende Seitenketten aus, welche den Bewuchsschutz vermitteln. Anderseits hat das Polymer zwei Arten von Seitenketten für die kovalente Bindung an Metalle: eine für die Bindung an Silizium und Glas, eine andere für die Bindung an Oxide der sogenannten Übergangsmetalle, zu denen unter anderem Titan und Eisen gehören.

«Dip and rinse»

«Beschichtungen mit unserem neuen Polymer sind sehr einfach. It’s just dip and rinse – eintauchen und abtropfen», sagt Spencer. «Und die Beschichtung widersteht auch harschen Bedingungen wie Säuren, Basen, hohen Salzkonzentrationen und Tensiden.»

Das ETH-Spin-off Susos hat das Polymer zum Patent angemeldet. Mögliche Anwendungen sehen die Wissenschaftler primär in der biomedizinischen Diagnostik und der Medizintechnik, beispielsweise für Biosensoren, Implantate und künftige implantierbare Wirkstoffverabreichungssysteme. Denkbar wären aber auch Anwendungen in der Wasseraufbereitung, Schifffahrt und Fischerei sowie der Lebensmittelindustrie, zum Beispiel bei Verpackungen.

Das «Taschenmesser» in seiner jetzigen Form ist dabei vielseitig anpassbar und ermöglicht auch Weiterentwicklungen. So wäre es möglich, das molekulare Rückgrat des Polymers mit Seitenketten zu bestücken, die an weitere Materialen binden, oder man könnte die biofilmverhindernden Seitenketten durch solche mit anderen Eigenschaften ersetzen, wie Spencer sagt.