• Zielgruppen
  • Suche
 

Poylmere Ein- und Multischichtmaterialien

Polymeres Schichtsystem aus 13 alternierenden Schichten aus Polymer mit Eisen(III)-oxid-Zusatz bzw. reinem Polymer

Systeme aus kombinierten dünnen Schichten verschiedenster Materialien im ein- bis dreistelligen Mikrometerbereich sowie speziell polymere Schichtsysteme finden vielfältige technische Anwendungen. Sie können als Beschichtungen für Werkzeuge z.B. zum Korrosionsschutz, als dielektrische Schichten in Kondensatoren, als Verpackungsfolien für Lebensmittel oder als Membranen in Biosensoren dienen. Auch in der Mikroelektronik und in der Automobilindustrie, z.B. bei Autolacken, kommen Multischichtsysteme im Mikrometer-Maßstab zum Einsatz. Da die mechanischen, elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften der Schichtsysteme entscheidend von der Dicke der Einzelschichten und der Homogenität der Verteilung eventueller eingebetteter Substanzen abhängen, müssen geeignete präzise Methoden zur Untersuchung der Schichten zur Verfügung stehen. Als Anforderungen an die Analysemethoden stehen ein möglichst geringer Aufwand bei der Probenvorbereitung, eine zerstörungsfreie oder zerstörungsarme Arbeitsweise sowie eine ausreichende laterale und dreidimensionale Auflösung im Vordergrund. Diese Bedingungen werden beispielsweise von der dreidimensionalen Mikro-Röntgenfluoreszenzanalyse (3D µ-RFA), der dreidimensionalen Mikro-Röntgen-Nahkanten-Absorptionsspektroskopie (3D µ-XANES), der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) und der Laserablations-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (LA-ICP-MS) erfüllt.

Für die präzise und richtige Quantifizierung von Elementgehalten mittels festkörperpektroskopischer Analysenverfahren ist eine möglichst genaue Kalibrierung mit Referenzmaterialien nötig. Dabei ist von großer Bedeutung, dass die Eigenschaften der Referenzmaterialien denen der zu analysierenden Proben angepasst sind. Hier spielen je nach Analysentechnik vielfältige Eigenschaften wie der Aggregatzustand, die Zusammensetzung der Analyten und der Probenmatrix, die Dichte, die Schichtdicke und die Homogenität sowie mitunter auch die Bindungsformen der Analyten eine wichtige Rolle. Die Richtigkeit der Messergebnisse hängt daher in entscheidender Weise von der Verfügbarkeit und Qualität geeigneter Referenzmaterialien ab. Derartige zertifizierte polymere Ein- und Multischicht-Referenzsysteme sind jedoch kommerziell nicht erhältlich.

Referenzmaterialien können nicht nur als Kalibrierstandards für bestehende, etablierte Analysenmethoden, sondern darüber hinaus auch zur Validierung und Optimierung neuer Messtechniken und zur Verbesserung von Auswertemethoden für die Quantifizierung von Analyten eingesetzt werden. Dies gilt insbesondere für neue Messtechniken, die als Alternative zur Kalibrierung mit Referenzstandards auch eine standardfreie quantitative Analyse auf der Grundlage von Fundamentalparametermodellen ermöglichen. Um diese neuen Messmethoden zu evaluieren und Theorie, Messtechnik und Auswertemethoden weiter zu entwickeln, ist es erforderlich, zunächst Proben zu untersuchen, die bereits durch andere Analysemethoden gut charakterisiert wurden. Dabei sollten die elementare Zusammensetzung und die Verteilung der Elemente in diesen Standardproben ebenso bekannt sein wie ihr Schichtenaufbau mit den Schichtdicken. Ideal geeignet sind Systeme aus einer möglichst leichten Probenmatrix, da hierfür geringe Störungen durch Matrixeffekte zu erwarten sind. Aus diesem Grund werden organische Polymere als Basis für röntgenspektroskopisch erfassbare Analyten für diese Untersuchungen bevorzugt. Vor diesem Hintergrund wird an der Herstellung und Charakterisierung von Schichtsystemen aus einer polymeren Matrix mit anorganischen Füllstoffen als Analyten gearbeitet. Hierfür werden Elemente über einen breiten Massenbereich (Li, Be bis U) in verschiedenen Bindungsformen (z.B. Cu, Cu(I), Cu(II)) und mit verschiedenen Isotopenverhältnissen (z.B. 204Pb angereichert) mittels verschiedener Präparationstechniken in die Polymermatrix eingearbeitet. Schwerpunkte der Arbeit liegen dabei auf der Entwicklung von Präparationsmethoden im Labormaßstab für In-house-Referenzmaterialien sowie auf deren Charakterisierung in Bezug auf Homogenität der Analytverteilung, Partikelgrößenverteilung und Schichtdicke. Hierfür stehen diverse Festkörperanalytische Methoden zur Verfügung (µRFA, REM, PIXE, ICP-OES, Mikroskopie, LA-ICP-MS). Neben Lack als polymerer Matrix wird zudem mit dem Biopolymer Chitosan, dessen filmbildende Eigenschaften eine Präparation von dünnen Folien ermöglichen, gearbeitet. Dies wird mit der Fähigkeit des Chitosans, einige Metalle, insbesondere Schwermetalle, zu binden, kombiniert. Durch die Entwicklung und Optimierung eines Präparationsverfahren konnten bisher beispielsweise 50 µm dicke Chitosanfolien mit Zusatz von Schwermetallen wie Kupfer und Cadmium sowohl im Spurenbereich (ca. 50 mg∙kg-1 bis 500 mg∙kg-1) als auch bis zu ca. 5 Gew.-% erfolgreich präpariert werden. Damit ergeben sich vielfältige Anwendungsgebiete, wie beispielsweise die ortsaufgelöste Elementspurenanalytik an Biomineralisationsprodukten oder humanen, pflanzlichen und tierischen Gewebeproben sowie die Entwicklung und Optimierung von Auswertemodellen für zerstörungsfreie 2D- und 3D-Verfahren.

Bestimmung der Beryllium-Konzentration im Querschnitt einer Pflanzenwurzel unter Verwendung von Be-dotierten Polymerstandards. Links: Lichtmikroskopische Aufnahme (200fache Vergrößerung), Mitte: Be-Konzentration im Wurzelquerschnitt, bestimmt mit LA-ICP-MS, rechts: Kalibrationskurve, erstellt mit 5 Be-haltigen Standards im Konzentrationsbereich 45 bis 350 µg/g.

Publikationen

  • J. Thieleke, Beiträge zur Bestimmung von lokalen Verteilungen ausgewählter
  • toxischer Elemente ; Dissertation; Leibniz Universität Hannover, 2017
  • J. Thieleke, C. Vogt, Calibration stragtegy for LA-ICP-MS using isotope dilution for solid reference materials, JAAS 31 (2016) 1198 - 1205, DOI: 10.1039/C6JA00042H
  • G. Schwartze, Polymere Ein- und Mehrschichtmaterialien für die Kalibrierung moderner festkörperspektroskopischer Messsysteme; Dissertation; Leibniz Universität Hannover, 2013
  • L. Lühl, I. Mantouvalou, I. Schaumann, C. Vogt, B. Kanngießer, Three-Dimensional Chemical Mapping with a Confocal Setup, Anal. Chem. 85(7) (2013) 3682-3689
  • I. Schaumann, Herstellung und Charakterisierung von polymeren Schichtsystemen für die Validierung röntgenanalytischer Verfahren; Dissertation; Leibniz Universität Hannover, 2011
  • L. Lühl, I. Mantouvalou, W. Malzer, I. Schaumann, C. Vogt, O. Hahn, B. Kanngießer, Reconstruction procedure for 3D Micro X-ray Absorption Fine Structure, Anal. Chem. 2012, 84 (4), 1907–1914
  • I. Schaumann, W. Malzer, I. Mantouvalou, L. Lühl, B. Kanngiesser, Preparation and characterization of polymer layer systems for validation of 3D Micro X-ray fluorescence spectroscopy; Spectrochimica Acta Part B, 64, 334-340, 2009
  • I. Mantouvalou, W. Malzer, I. Schaumann, L. Lühl, R. Dargel, C. Vogt, B. Kanngiesser,  Reconstruction of thickness and composition of stratified materials by means of 3D micro X-ray fluorescence spectroscopy; Analytical Chemistry, 80, 819-826, 2008

Kooperationspartner

  • Prof. Dr. Birgit Kanngießer, Institut für Optik und Atomare Physik, TU Berlin
    Dr. Burkhard Beckhoff, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Arbeitsgruppe 7.24, Röntgen- und IR-Spektrometrie, Berlin
    Dr. U. Resch-Genger, BAM Berlin
    ION-TOF GmbH, Münster