Vom Photolack zum Gecko

Wie intermolekulare Kräfte Adhäsion, Adsorption und Benetzung beeinflussen.

Beobachtet man Geckos, die über Wände und Decken jagen, fragt man sich, welche Kräfte sie halten. Verantwortlich für dieses Kunststück sind elektromagnetische Kräfte zwischen Molekülen, insbesondere van der Waals-Kräfte zwischen fluktuierenden Dipolen. Diese entscheiden auch darüber, ob eine Beschichtung auf einem Substrat hält, sei es ein Photolack auf einem Siliziumwafer oder ein bakterienhaltiger Biofilm auf einer Türklinke oder einem Zahn.

Beschichtungen spielen bei vielen industriellen Anwendungen eine wichtige Rolle, z. B. in der Lack- oder der Halbleiterindustrie. Eine zentrale Aufgabe ist hierbei, die Stabilität der Beschichtungen zu optimieren. Ein einfaches Beispiel ist ein Photolack auf einem einkristallinen Siliziumwafer. Was hält die Flüssigkeit auf dem Wafer und warum perlt sie manchmal ab wie ­Honig von einem Butterbrot? Bevor wir diese Frage beantworten können, wenden wir uns zunächst den Kräften zu, die zwischen Lack und ­Wafer wirken. Mikroskopisch gesehen sind das – neben der sehr kurzreichweitigen Abstoßung aufgrund des Pauli-Prinzips – ­Kräfte zwischen Atomen oder Molekülen, die durch den Austausch von Photonen zustande kommen und unter dem Oberbegriff intermolekulare Wechselwirkungen zusammengefasst werden [1, 2]. Dazu zählt nicht nur die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Ladungen: Bereits vor rund 140 Jahren stellte Johannes Diderik van der Waals eine Theorie zur Anziehungskraft zwischen neutralen Atomen vor, um reale Gase zu beschreiben. Diese van der Waals-Wechselwirkung (vdW) wirkt zwischen permanenten oder induzierten Dipolen. Unabhängig von der Art der Dipole fällt die Kraft wie 1/d6 mit dem Abstand d der Dipole ab. Daher wird sie häufig als kurzreichweitig angesehen und vernachlässigt.

Da aber bei jedem Molekül oder Atom entweder ein Dipolmoment existiert oder sich ein solches induzieren lässt, sind die vdW-Wechselwirkungen de facto omnipräsent. Dadurch wirken sie nicht nur zwischen isolierten Molekülen, sondern auch zwischen allen Molekülen und Atomen, aus denen kondensierte meso- oder makroskopische Objekte bestehen. Hugo C. Hamaker, Hendrik Casimir und Jewgeni Lifshitz haben gezeigt, dass die Wechselwirkung zwischen zwei solchen Objekten langreichweitiger wird – wobei die Geometrie der Objekte den genauen Exponenten bestimmt (Infokasten „Van der Waals-Wechselwirkungen“). Dadurch werden diese Wechselwirkungen relevant für Labor und Alltag. ...

Oliver Bäumchen, Hendrik Hähl, Peter Loskill und Karin Jacobs

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