Das Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen

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1 32 Das Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen Nanotechnologie an der Schnittstelle zwischen Forschung und Anwendung Forschung und Anwendung Monolage aus 180 nm Polystyrolpartikeln, die auf einer 10 µm Kugel abgelegt wurden (Prof. M. Retsch) Das Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen (BZKG) ist eine Forschungseinrichtung der Universität Bayreuth in der sich 16 Professuren aus der Chemie, Physik und den Ingenieurswissenschaften zusammengeschlossen haben, um ihre Kompetenzen und Ausstattung zu bündeln. Ziel des BZKG ist es eine Brücke zwischen universitärer Grundlagenforschung und industriellen Anwendungen zu bilden. Die Universität Bayreuth verfügt mit ihren Profilfeldern Makromolekülund Kolloidforschung sowie Neue Materialien über eine hohe Kompetenz in den Bereichen kolloidaler und grenzflächenbasierter Systeme sowie den Anwendungen in den Bio- und Materialwissenschaften. Mit dem BZKG steht ein direkter Ansprechpartner, gerade für kleine und mittlere Unternehmen, nicht nur aus der Umgebung sondern aus ganz Bayern zur Verfügung. Neben bilateralen Kooperationen ermöglicht das BZKG auch die Verknüpfung mit Verbundprojekten auf Europäischer Ebene. Die im BZKG untersuchten kolloidalen Objekte überstrecken einen Größenbereich von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern und beinhalten damit sowohl Nanopartikel als auch die klassischen Bestandteile von Farben und Lacken. Auch Proteine oder Formulierungen für die Kosmetik oder Pharmazie stellen kolloidale Systeme dar. Aufgrund des untersuchten Größenbereiches kann die Kolloidwissenschaft als eine klassische und grüne Form der Nanotechnologie aufgefasst werden. Ihre Ursprünge reichen zurück bis zur Herstellung der ersten Tinten im alten Ägypten oder von kolloidalen Goldsolen im alten China vor mehr als tausend Jahren. Diese Beispiele illustrieren auch ein wesentliches Merkmal der Kolloid- und Makromolekülforschung: Sie besitzt praktisch einen inhärenten Anwendungsbezug, der sowohl neue Impulse für die Grundlagenforschung gibt, aber auch häufig aus der Forschung zu direkt industriell einsetzbaren Produkten oder Prozessen führt. Ein wesentliches Kennzeichen kolloidaler Systeme, ist dass viele ihrer Eigenschaften von der Grenzfläche zur wässrigen Phase und nicht über die Volumeneigenschaften des gelösten Stoffes bestimmt werden. Ein einfaches Beispiel illustriert eindrucksvoll die Bedeutung der Grenzfläche für kolloidale Suspensionen: Die in einem Glas (0.2L) in einer 10% (w/w) Lösung enthaltenen Latexpartikel einer Größe von 1 Mikrometer besitzen zusammen eine Oberfläche von fast 10% eines Handballfeldes. Demensprechend sind es die Eigenschaften der Grenzfläche welche die Eigenschaften der Suspension als Ganzes bestimmen. Beispielsweise bestimmen die Oberflächenkräfte zwischen den Partikeln wie stabil die Lösung gegenüber Aggregation ist und somit wie lange und auch unter welchen Bedingungen (bspw. Temperatur) sie gelagert werden können. In der Grenzflächenforschung werden Phasengrenzen allgemein untersucht, also nicht nur diejenigen zwischen einem Kolloid und der ihn umgebenden Lösung. Ein typisches Beispiel sind wasserbasierte Wandfarben, die nicht nur als Lösung stabil sein sollen, sondern auch gute Haftung zum Untergrund (Grenzfläche zwischen zwei Festkörpern) sowie gute Trockeneigenschaften (Grenzfläche mit der Luft) nach dem Auftragen aufweisen müssen. In der Grenzflächenforschung steht somit die definierte Herstellung von Grenzflächen für spezielle Anwendungen, die gezielte Modifikation durch entsprechende Beschichtungen und natürlich die begleitende

2 Forschung und Anwendung 33 gen sowie ihrem Aspektverhältnis, werden am Lehrstuhl für Anorganische Chemie I synthetisiert. Ihre mechanischen Eigenschaften werden durch ein neuartiges, am Lehrstuhl für Physikalische Chemie II entwickeltes Verfahren auf der Ebene einzelner solcher Plättchen bestimmt; dieses Verfahren ähnelt hierbei einem aus der makroskopischen Welt bekannten mechanischen Belastungstest. In Kooperation mit dem Lehrstuhl Makromolekulare Chemie I und dem Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe werden dann solche Schichtsilikate in eine optimierte Polymermatrix eingebunden um Hybridmaterialien mit besonderen Eigenschaften, wie beispielsweise Transparenz und Gasundurchlässigkeit zu erzielen. Das Konzept einer Bündelung verschiedener Kompetenzen aus dem großen Spektrum der Kolloid- und Grenzflächenforschung an der Universität Bayreuth mit dem BZKG als administrativen Ansprechpartner bietet gerade für kleinere und mittlere Unternehmen große Vorteile. Diese verfügen häufig nicht über eigene Forschungsabteilungen und das BZKG bietet einen zentralen Anknüpfungspunkt um die Expertise von Arbeitsgruppen sehr unterschiedlicher Ausrichtung, beispielsweise aus dem Bereich der Anoranalytische Untersuchung im Vordergrund. Hierbei können entsprechende Grenzflächen sowohl organischer als auch anorganischer Natur sein. Weitverbreitete organische Grenzflächen sind beispielsweise die Oberflächen polymerer Werkstoffe. Es ist ein besonderes Kennzeichen der Universität Bayreuth, das hier im Bereich der Kolloid- und Grenzflächenwissenschaften sowohl Lehrstühle aus der makromolekularen Chemie, welche sich primär mit Polymeren Werkstoffen sowie zugehörigen Additiven beschäftigen, als auch der anorganische Chemie vertreten sind. Nur durch die Kombination dieser Fachgebiete können beispielsweise sogenannte Hybridmaterialien untersucht und entwickelt werden, wie sie beispielsweise in Flammschutzbarrieren oder für gasundurchlässige Kunststoffversiegelungen Verwendung finden. Auch andere wichtige Prozesse in der Chemie, wie die Katalyse, sind grenzflächendominiert. Ein anderes Beispiel aus der Materialwissenschaft ist die Adhäsion, ein Phänomen welches sowohl für die Entwicklung von Klebstoffen als auch für die Reinigung von Oberflächen wichtig ist. Von zunehmender Wichtigkeit ist aber auch die gezielte Strukturierung von Oberflächen auf der Mikrometer- und Nanometerebene, wie sie aus dem Beispiel wasserabweisender Oberflächen nach dem Lotusprinzip bekannt ist. Durch die am BZKG vertretenen ingenieurwissenschaftlichen Lehrstühle können weiterhin wichtige Kompetenzfelder, wie die Polymere Werkstoffe oder Biomaterialien abgedeckt werden. Eine umfassende analytische Charakterisierung kolloidaler oder grenzflächenbasierter Systeme ist notwendig um die Synthese oder die Anwendungen gezielt optimieren zu können. Durch das BZKG besteht auch für kleinere Firmen die Möglichkeit eines Zugangs zu einer breiten Palette an entsprechenden analytischen Techniken. Neben einer großen Zahl an bekannten Raster-Elektronenmikroskopie Aufnahme von Copolymer-Mikrogelen beladen mit Gold-Nanostäbchen (Prof. M. Karg) Techniken, wie Mikroskopie (Rasterelektronen-, Transmissions-, Rasterkraft- und Konfokale Mikroskopie), Licht- und Röntgenstreuung oder elektrokinetischen Methoden, die in den einzelnen Arbeitsgruppen und Key-Laboratorien auf höchstem Niveau betrieben werden, stehen auch eine Anzahl hochspezialisierter präparativer und analytischer Techniken über das BZKG zur Verfügung. Hierzu zählen beispielsweise die Festkörper-NMR, die Messung von Wechselwirkungskräften oder innovative Verfahren zum Elektrospinnen. Für eine umfassendere Zusammenfassung der verfügbaren Techniken wird auf die Webseiten des BZKG verwiesen. Ein typisches Beispiel für die im Umfeld des BZKG freigesetzten Synergieeffekte sind Untersuchungen an Nanoplättchen: Schichtsilikate mit genau definierten Eigenschaften, insbesondere bezüglich ihrer Ladun- Mit Techniken wie der Colloidal Probe Kraftspektroskopie können Wechselwirkungskräfte zwischen Mikropartikeln und Oberflächen direkt gemessen werden

3 34 Forschung und Anwendung Diese über koaxiales Elektrospinnen hergestellten Nanofasern kombinieren harte und weiche Polymere. Bei entsprechender Materialauswahl können diese "Nanofedern" erzeugt werden (Prof. S. Agarwal) ganischen und Makromolekularen Chemie sowie der ingenieurwissenschaftlichen Lehrstühle spezifisch für ein einzelnes Projekt auch temporär zu bündeln und gleichzeitig die administrative Verwaltung zentral zusammenzufassen. Auf diese Weise können industrienahe Projekte verschiedenster Größenordnung, von Messaufträgen, über kleine Machbarkeitsstudien bis hin zu Europäischen Verbundprojekten in Kooperation mit den Partnern aus der Industrie sehr flexibel gestaltet und durchgeführt werden. Historisch hat sich das BZKG aus einem Zusammenschluss von fünf Lehrstühlen der Universität Bayreuth entwickelt. Die Gründung erfolgte im Juli 2000 mit dem oben bereits erwähnten Ziel einer Kompetenzbündelung. Gründungsdirektor des BZKG war Herr Prof. Dr. H. Hoffmann, der die inzwischen fast 30 jährige Tradition der Kolloid- und Grenzflächenwissenschaft an der Universität Bayreuth wesentlich mitbegründet und gestaltet hat. Mit dem Bau eines entsprechenden Gebäudes verfügt das BZKG auch über eigene Laboratorien und Büros. Der Freistaat Bayern hat das BZKG, insbesondere im Rahmen der High-Tech- Initiative, wesentlich unterstützt. Die Laboratorien des BZKG manifestieren auch einen wesentlichen Grund- gedanken des Zentrums: den offenen Zugang nicht nur zu Kompetenzen sondern auch zu apparativen Ressourcen der beteiligten Arbeitsgruppen. Ein Prinzip das sich seit vielen Jahren bewährt hat und auch den historischen Grundstein für die heute im Profilfeld Makromolekül- und Kolloidforschung bestehende Key- Lab-Struktur gelegt hat. In beiden Bereichen werden große apparative Techniken, wie Elektronenmikroskopie oder Polymerverarbeitung nicht nur räumlich gebündelt, sondern auch zentral wissenschaftlich begleitet um eine optimale Nutzung der Geräte zu garantieren. Gleichzeitig ermöglicht diese Struktur allen Arbeitsgruppen, insbesondere auch den Nachwuchsgruppen, einen direkten und unbürokratischen Zugang für Projekte und Forschung. Die inzwischen am BZKG zusammengefassten 16 Arbeitsgruppen kommen aus drei unterschiedlichen Fakultäten und vertreten durch ihre Expertise die Kolloid- und Grenzflächenforschung nahezu in ihrer gesamten Bandbreite Diese große Zahl der Arbeitsgruppen, welche sich auch durch Mitgliedsbeiträge aktiv an der Infrastruktur des BZKG beteiligen, illustriert die Attraktivität dieses Zentrums nicht nur für Kollaborationspartner aus der Industrie, sondern auch für die Wissenschaftler der Universität Bayreuth. Das BAYREUTHER ZENTRUM FÜR KOLLOIDE UND GRENZFLÄCHEN (BZKG) Mitglieder: 16 Lehrstühle und Arbeitsgruppen der Universität Bayreuth Gegründet: Juli 2000 (bisherige geschäftsführende Direktoren Prof. Dr. H. Hoffmann und Prof. Dr. M. Ballauff ) Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr. Andreas Fery (Lehrstuhl Physikalische Chemie II) Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen (BZKG) an der Universität Bayreuth Kontakt: Frau Thunig Bayreuther Zentrum für Kolloide und Grenzflächen Universitätsstrasse Bayreuth Tel / christine.thunig@uni-bayreuth.de Mehr Informationen: Eine ausführliche Informationsbroschüre in der auch die Arbeitsgebiete der beteiligten Arbeitsgruppen ausführlich vorgestellt werden, kann im pdf-format von der Webseite heruntergeladen werden.

4 Forschung und Anwendung 35 Arbeitsgebiete der im BZKG zusamengeschlossenen Lehrstühle und Arbeitsgruppen

5 36 Forschung und Anwendung