21.12.2020

Polymere durch Poren pressen

Messung der Polymerdynamik während des Fließens zeigt Abhängigkeit der Viskosität auf.

Drucken mit einem Tinten­strahl­drucker ist Teil unseres täglichen Lebens. Die selbe Technologie findet aber auch komplexere Anwendungen in der Elektronik und bei der Trennung von Proteinen. Diese Anwendungen, die noch vor wenigen Jahrzehnten als futuristisch galten, beruhen auf der Qualität des Druck­prozesses, die vom Fluss der „Tinte” durch enge Poren abhängt. Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben jetzt den mikro­skopischen Mechanismus dieses Flusses aufgedeckt.

 

Abb.: Der Durch­messer von Poren verändert die Viskosität von auf Polymeren...
Abb.: Der Durch­messer von Poren verändert die Viskosität von auf Polymeren basierenden Flüssigkeiten und damit deren Fließ­verhalten. (Bild: MPI-P)

Der Fluss von Wasser in einem Rohr wird hauptsächlich durch den Durchmesser des Rohres und den Druck an seinem Ein- und Ausgang bestimmt. Bei dünnen Röhren kann die Flüssigkeit immer noch durch Kapillar­kräfte eindringen. In diesem Fall ändern sich die physikalischen Gesetze, die den Fluss des Flüssigkeits­gemischs bestimmen, jedoch dramatisch. Diese Abweichung wird noch deutlicher, wenn die Flüssigkeit viskoser wird oder die Wechselwirkung der Flüssigkeit mit den Wänden des Kanals zunimmt.

Häufig handelt es sich bei der Tinte um ein Polymer im flüssigen Zustand. Polymere dringen im Prinzip nicht gerne in Nanoporen ein, weil sie auf engem Raum ihre Bewegungs­freiheit und damit ihre Entropie verlieren. Sie tun dies jedoch aufgrund der Kapillar­kraft, die diese Molekülketten mitreißt. Nach Fertig­stellung eines Druckes mit einem Tinten­strahl­drucker verfestigen sich diese Polymere schnell, d.h. die Druckfarbe trocknet.

Bei hochpräzisen Druck­anwendungen, bei denen die Auflösung ein Schlüsselfaktor ist, wird es wichtig, die „Tinte” durch sehr enge Kanäle „pressen” zu können. Ohne die entsprechenden Erfahrungswerte ist es jedoch nicht sicher, ob ein bestimmtes Polymer durch eine enge Pore fließen wird, wie und wann es dies tut und welchen Einfluss die mikroskopischen Eigenschaften des Polymers beziehungsweise die Eigenschaften der Poren auf den Fluss haben. Die Gruppe von George Floudas, Professor an der Universität von Ioannina, Griechenland, und Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Polymer­forschung, hat nun Licht in den eigentlichen Prozess gebracht. Hierzu verwendet die Gruppe fortschrittliche Techniken zur Messung der Polymer­dynamik während des Fließens.

Überraschenderweise haben die Forscher beobachtet, dass das Vorhandensein eines Kanals nicht nur den Fluss räumlich einschränkt, sondern auch die physikalischen Eigenschaften des fließenden Polymers verändert. Sie fanden heraus, dass eine enge Pore die Polymer­viskosität erhöhen kann. Diese Beobachtung lässt sich durch zwei miteinander konkurrierende Faktoren erklären: Auf der einen Seite zieht die Kapillarkraft die Ketten in den Kanal und unterstützt so die gerichtete Bewegung entlang der Poren. Auf der anderen Seite verringert sich die Fähigkeit der Kette zu „wackeln”, besonders in der Nähe der Poren­oberfläche, was deren Fließen behindert. Dieser letztgenannte Effekt ist eine Folge der starken Wechselwirkung des Polymers mit der Porenoberfläche. Die Reduzierung der Stärke der Grenzflächen­wechselwirkungen könnte dazu beitragen, Polymer­grenzflächen mit kontrollierten physikalischen Eigenschaften zu entwerfen.

„Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse in Zukunft in Anwendungen wie Druckern oder Elektronik genutzt werden können, so dass die jeweilige Leistung verbessert werden kann”, sagt George Floudas.

MPI-P / DE

 

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