Mit Mikrosieben gegen Pollen und Bakterien
TU-Chemiker haben ein Verfahren mitentwickelt, mit dem sich sehr feine und dennoch stabile Mikrosiebe herstellen lassen - mögliche Anwendungen sind die Luftreinigung und Aufbereitung von Trinkwasser
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Das in Chemnitz mitentwickelte Mikrosieb unter dem Rasterelektronenmikroskop: Man erkennt eine große Öffnung des zugrunde liegenden gröberen Siebes, das darauf montierte feine Sieb und Partikel, die in einem Filtrationstest von dem Mikrosieb zurückgehalten wurden. Die Poren des hier gezeigten feinen Siebes haben einen Durchmesser von rund einem Drittel eines Mikrometers, was rund einem Zweihundertstel eines Haardurchmessers entspricht. Foto: Professur Physikalische Chemie
Sie können Bakterien und Pollen zurückhalten und eignen sich dadurch für die Aufbereitung von Trinkwasser, für die Filtration von Getränken und den Einsatz in der Medizintechnik: Mikrosiebe. Ihre Poren haben einen Durchmesser, der unter einem Mikrometer liegen kann. Das entspricht dem Tausendstel eines Millimeters. Mikrosiebe haben einen sehr niedrigen Durchflusswiderstand. Somit benötigt man bei ihrem Einsatz in der Filtertechnik vergleichsweise kleine Filtereinheiten und kann somit Platz sparen. Außerdem benötigen Mikrosiebe eine geringere Pumpenleistung und sparen somit Energie. Meistens werden Mikrosiebe durch Photolithographie hergestellt. Diese Methode findet auch in der Mikroelektronik Anwendung. Sie erlaubt eine präzise Fertigung, ist aber vergleichsweise aufwändig und begrenzt die Fläche der so herstellbaren Mikrosiebe. An einem optimierten Verfahren zur einfacheren Herstellung von sehr feinen aber dennoch stabilen Mikrosieben ist die Professur Physikalische Chemie der Technischen Universität Chemnitz beteiligt. Dazu haben Wissenschaftler aus vier Universitäten ihr Know-how gebündelt.
Die Chemnitzer Forscher stellen gemeinsam mit Chemikern der Universität Ulm Mikrosiebe in einem sogenannten Schwimmgießverfahren her. Dabei gießen sie Monomere und Kieselgel auf eine Wasseroberfläche. Wenn man sich das vergrößert vorstellt, sieht es aus, als würde man Öl und wasserabweisend beschichtete Sandkörner auf das Wasser geben. Wenn sich die "Sandkörner" und das "Öl" gleichmäßig verteilt haben, wird das "Öl" ausgehärtet. Die Partikel - die in Realität rund tausendmal kleiner als gewöhnliche Sandkörner sind - werden aufgelöst. Zurück bleibt das ausgehärtete Öl in Form eines dünnen Mikrosiebes mit einheitlichen Löchern. Dieses Mikrosieb besteht aus stark vernetztem Plexiglas. Der Durchmesser der Poren und die Dicke des Siebes liegen bei rund einem Drittel eines Mikrometers. Das entspricht etwa einem Zehntel einer lebenden Zelle oder einer Polle, sodass man diese mit dem Sieb auffangen kann. Bei Bedarf lassen sich die Poren auch soweit verkleinern, dass man sogar Viren zurückhalten kann. Allerdings ist dieses Mikrosieb so dünn, dass es leicht reißt.
Ingenieure der Universitäten in Twente und Aachen stellen Mikrosiebe auf eine noch andere Art her: durch Abformen. Sie übergießen eine Siliziumoberfläche, die wie ein Nadelkissen aussieht, mit einer Kunststofflösung. Dann entfernen sie das zusätzlich verwendete Lösungsmittel und ziehen die verbleibende, von den Nadeln durchbohrte Kunststoffschicht ab. Diese Mikrosiebe aus Twente und Aachen sind deutlich stabiler als die aus Chemnitz und Ulm, jedoch kann man mit dieser Technik keine Siebe herstellen, die fein genug sind, um Bakterien zurückzuhalten. Die Poren haben einen Durchmesser von fünf Mikrometern und lassen sich auch nicht unter einen Mikrometer verkleinern.
Deshalb haben beide Forschergruppen ihre Verfahren gebündelt: Die feinen Mikrosiebe aus Chemnitz und Ulm haben die Wissenschaftler auf die gröberen Mikrosiebe aus Twente und Aachen aufgebracht. Das Resultat ist ein strukturiertes Mikrosieb, das stabil genug ist, um es in Apparaturen einzuspannen. Außerdem ist es fein genug, um mikroskopische Teilchen zurückzuhalten. Theoretisch ließen sich diese Mikrosiebe als Endlosband mit unbegrenzter Fläche herstellen - im Gegensatz zum üblichen Verfahren der Photolithographie.
Einsatz finden können die neuen Mikrosiebe unter anderem in der Aufbereitung von Getränken, wo bisher körniges Material wie Sand oder Kieselgel zur Filterung verwendet wird oder in der Luftreinigung.
Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich im internationalen Journal "Advanced Materials" veröffentlicht: Yan, F., Ding, A., Gironès, M., Lammertink, R. G. H., Wessling, M., Börger, L., Vilsmeier, K. and Goedel, W. A. (2012), Hierarchically Structured Assembly of Polymer Microsieves, made by a Combination of Phase Separation Micromolding and Float-Casting. Adv. Mater., 24: 1551-1557. Der Artikel ist online verfügbar: http://dx.doi.org/10.1002/adma.201104642 (Hinweis: Der Link funktioniert nur im Deutschen Forschungsnetz. Der Beitrag kann bei Bedarf bei den Autoren telefonisch unter 0371 531-31713 angefordert werden.)
Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Werner Goedel, Telefon 0371 531-31713, E-Mail werner.goedel@chemie.
Katharina Thehos
10.05.2012
