Klebesystem mit Ausschalter

Saarländische Forscher haben einen Klebstoff entwickelt, der sich unter Wasser einsetzen und mit verschiedenen Lichtarten aktivieren und wieder deaktivieren lässt. Im Nanomaßstab klappt das schon gut.

Sind Unterwasser-Kleber einmal ausgehärtet, lassen sie sich normalerweise nicht wieder lösen. Anders ist das bei einem neuen materialwissenschaftlichen Vertreter dieser Gattung, den Forscher am Leibniz-Institut für neue Materialien (INM) in Saarbrücken zusammen mit Chemikern an der Universität des Saarlandes und Kollegen an der Universität Münster entwickelt haben. Ihr fertig ausgehärteter Kleber lässt sich durch Licht wieder auftrennen – zumindest im Nanomaßstab.

Für ihre Entwicklung haben die Wissenschaftler mit der enorm dünnen Spitze eines Rasterkraftmikroskops, die nur einen Millionstel Millimeter Platz einnimmt, und einer Glasoberfläche experimentiert, um beide Komponenten kurzzeitig zu verkleben.

Dabei sind zwei spezielle Molekülarten wichtig: Die sogenannten Wirtsmoleküle aus Cyclodextrin befinden sich an der Oberfläche der zu verklebenden Teile. Im Wasser schwimmen wiederum sogenannte Gastmoleküle aus ditopischem Azobenzol, die in Hohlräume passen, die in den Wirtsmolekülen vorhanden sind. Gelangt ein Gastmolekül in diese Hohlräume, verbindet es sich mit mehreren Wirtsmolekülen und verknüpft sie dich und haltbar miteinander.

"Somit kann ein Gastmolekül zwei gegenüberliegende Wirtsmoleküle aneinander binden. Wenn sehr viele Verbindungen zwischen 'Wirten' und 'Gästen' aufgebaut werden, dann entstehen Adhäsion und Reibung, Messspitze und Glasoberfläche kleben aneinander", sagt Gerhard Wenz, Professor für Organische Makromolekulare Chemie an der Universität des Saarlandes, der an dem Projekt beteiligt war.

Um die Verbindung zu lösen, nutzen die Forscher die Lichtempfindlichkeit der Gastmoleküle: Ihre Enden verändern sich unter Einfluss ultravioletter Strahlen nämlich mechanisch so, dass sie dann nicht mehr in den Hohlraum der Wirtsmoleküle passen. Dies ist aber reversibel, was besagte An- und Ausschaltung bewirkt. So können die Forscher die Klebewirkung allein durch Licht deaktivieren. Wieder erneuern lässt sie sich unter sichtbarem Licht, das die Enden durch mechanische molekulare Veränderungen sozusagen wieder zurechtbiegt.

"Die länglichen Gastmoleküle wurden von den Kollegen aus Münster als spezielle lichtempfindliche Moleküle synthetisiert", fasst der Saarbrücker Professor Roland Bennewitz vom Leibniz-Institut für neue Materialien zusammen. "Sie beinhalten eine molekulare Gruppe, die bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht die Molekül-Enden abknickt. Diese passen dann nicht mehr in die Wirtsmoleküle, und die Verbindung zwischen den Oberflächen wird gelöst, die Reibung nimmt ab."

Zudem lässt sich mit dem Verfahren die Reibung zwischen den Oberflächen verändern, was für Anwendungen, bei denen die Verbindung nicht ganz gelöst werden muss, nützlich sein kann. So lassen sich Strukturen mit unterschiedlich starken Klebekräften bilden. "Durch abwechselnde Bestrahlung mit ultraviolettem und sichtbarem Licht kann man die Reibung verringern beziehungsweise verstärken", erläutert Bennewitz. Sein Team maß die mikroskopischen Prozesse, die bei dem Klebesystem ablaufen.

Bevor die Technik praktische Anwendungen findet, muss sie in einem nächsten Schritt aber erst einmal in die makroskopische Welt geholt werden – und beweisen, dass die Klebekraft ausreichend stark ist. Entsprechend ist die Arbeit mit Rasterkraftmikroskop und Glasoberfläche nur ein erster Schritt und die Grundlage für ein weiterführendes Forschungsprojekt.

In Münster war Bart Jan Ravoo, Professor für Organische Chemie, an dem Projekt der Saarländer beteiligt. Die Studie erschien im Dezember im renommierten Journal "Chemical Communications" unter dem Titel "Switching adhesion and friction by light using photosensitive guest–host interactions" (DOI: 10.1039/C4CC09204J). (bsc)