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In der Dimension von Atomen

Materialforscher entwickeln feinste Beschichtungen für Medizintechnik und Raumfahrt

Feinste Beschichtungen werden auf  Kugellager, Schrauben und Prothesen  (Mitte) aufgetragen.  Foto: privat, honorarfrei

Viele Teile des menschlichen Körpers sind heute ersetzbar: Organteile, Adern, Knochen, Gelenke, ja ganze Füße und Arme. Bei Maschinen sind alle Teile ersetzbar und sie sind – wie die Materialien von Flugzeugen und Raketen zeigen - extremen Belastungen ausgesetzt. Dennoch macht sich kaum jemand in der Öffentlichkeit Gedanken darum, wieso diese Teile nicht vom ‚Körper’ abgestoßen werden, warum sie sich so gut an ihre Umgebung anpassen oder was sie so haltbar macht. Dieses Fragen gehören in den Bereich der Materialforschung. 

"Die Entwicklung, Herstellung und Verarbeitung von neuen Materialien für innovative Anwendungen hat herausragende Bedeutung für künftige Technologien", erklärt Dr. Dimitri Rakov. Im Rahmen eines Kooperationsprogramms und mit Unterstützung der Alexander von Humboldt-Stiftung arbeiten die russischen Wissenschaftler Dr. Vladimir Levchenko und Dr. Dimitri Rakov vom Institut für Ingenieurwissenschaften der Russischen Akademie der Wissenschaft und der TU-Professor Dr.-Ing. Jürgen Thorbeck vom Institut für Luft- und Raumfahrt im Bereich neuer Konstruktionen und Materialien für die Luft- und Raumfahrt. Sie analysieren und synthetisieren neue Materialien und sie entwickeln Anwendungspotenziale dafür. Dabei geht es vor allem um das monokristalline Karbon. 

Kohlenstoff kommt in verschiedenen Erscheinungsformen und Mikrostrukturen vor. In den letzten Jahren wurden diamantähnliche Kohlenstoffschichten entwickelt, die besonders verschleißbeständig, reibungsmindernd und sehr hart sind. Für Anwendungen in der Medizintechnik, in der Werkzeugtechnik oder in der Luft- und Raumfahrt müssen sie außerdem besonders dünn aufgetragen werden können. Nun entwickelte die Gruppe mit Hilfe der "Levchenko-Methode" verschiedene monokristalline Beschichtungen, die durch einen besonderen Prozessschritt so hergestellt werden können, dass deren Dicke im Bereich von weniger als 50 Nanometern liegt. Um zu ermessen wie dünn das ist, muss man wissen, dass ein Nanometer nur ein Hunderttausendstel des Durchmessers eines Menschenhaares misst – die Dimension von Atomen. 

Doch nicht nur die Dicke der Beschichtung spielt eine Rolle. Mit entscheidend sind auch andere Eigenschaften des monokristallinen Karbons, das es so gut einsetzbar in den genannten Techniken macht: Neben dem geringen Reibwert und der hohen Verschleißbeständigkeit hat es eine hohe chemische Beständigkeit, eine große Adhäsion und weist eine gute physiologische Verträglichkeit auf. "Die Arbeitsgruppe würde sich freuen", sagt Dr. Dimitri Rakov, der einige Zeit als Humboldt-Stipendiat an der TU Berlin verbracht hat, "wenn sich weitere Fachdisziplinen mit Grundlagencharakter, wie Werkstofftechnik oder Oberflächentechnik für eine Mitarbeit interessierten." 

Patricia Pätzold

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