Untersuchung neuartiger Diamantschichten

Ein Innsbrucker Forschungsteam am Institut für Physikalische Chemie der Leopold-Franzens-Universität entwickelt Methoden zur Charakterisierung von nanokristallinen Diamantschichten. Die Nanostruktur von Diamantschichten führt zu einer Anzahl von unerwarteten Eigenschaften, die in Zukunft neue Anwendungsbereiche in der Medizin, in der Elektronik und in der Bio-Sensorik eröffnen.
Forschungsgruppe rund um Prof. Erminald Bertel, vom Institut für Physikalische Chemie
Bild: Forschungsgruppe rund um Prof. Erminald Bertel, vom Institut für Physikalische Chemie

Das Institut für Physikalische Chemie beschäftigt sich intensiv mit der Leitfähigkeit von unterschiedlich modifizierten Nano-Kristallinen Diamantoberflächen. „Das Ziel unseres Forschungsverbundes ist es, nanoskopische Schaltelemente auf Basis Ultra-Nano-Kristalliner Diamanten (UNCD) für die Anwendungen in der Medizin, in der Elektronik und in der Bio-Sensorik herzustellen“, erzählt Univ.-Prof. Dr. Erminald Bertel, Institutsvorstand am Institut für Physikalische Chemie. Von einer Forschergruppe wird derzeit eine Möglichkeit erkundet, um bessere und langlebige Zahnimplantate herzustellen. Weiters wird die Anwendung von nanokristallinen Diamantfilmen zur Beschichtung von implantierten Hörgeräten geprüft, die die Langzeitverträglichkeit deutlich verbessern könnte. Ein besonders interessantes Projekt ist die Kombination der Biofunktionalisierung von Diamantoberflächen mit den elektrischen Eigenschaften der Diamantfilme: Durch die Anbindung von Enzymen an die Oberfläche lassen sich ultraselektive und hochempfindliche Sensoren für Biomoleküle bauen.

 

Neue Dimensionen

Eine herausragende Eigenschaft der neuen UNCD Schichten ist ihre chemische Stabilität. Weder Säuren noch Bakterien können diesen Schichten etwas anhaben. Trotzdem erlaubt die besondere Oberflächenstruktur der Schichten den Chemikern, mit verhältnismäßig einfachen Verfahren die Oberfläche so zu gestalten, dass Biomoleküle ebenso wie pharmazeutische Wirkstoffe an der Oberfläche gebunden werden können. „Auf diese Weise lassen sich UNCD Schichten je nach Anwendungsgebiet so gestalten, dass sie z.B. vom körpereigenen Gewebe gut angenommen werden“, berichtet Physiko-Chemiker Bertel.

Ultra-Nano-Kristalline Diamantfilme haben im Vergleich zu „herkömmlichen“ Diamantfilmen eine extrem kleine Korngröße (< 20 Nanometer) und besitzen daher eine Oberfläche mit sehr geringer Rauhigkeit.

 

Den Charakter und die Funktion bestimmen

Am Institut für Physikalische Chemie werden diese industriell hergestellten UNCD Diamantfilme auf deren Zusammensetzung, Charakterisierung, Funktionalisierung und Leitfähigkeit hin untersucht und getestet. Bei der Charakterisierung werden die Diamantfilme auf ihre elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften mittels Rastersonden-Mikroskopie und mit einem ganzen Fächer von unterschiedlichen Spektroskopien untersucht. Bei der Funktionalisierung wird studiert, wie sich die Diamantoberflächen chemisch verändern lassen, um sie für verschiedene Anwendungen vom Zellwachstum bis zur Sensorik optimal anzupassen. Damit wird z.B. versucht, die Diamantfilme leitfähig zu machen, ihre Bereitschaft für die Bindung bestimmter Biomoleküle zu erhöhen, oder - in Hinblick auf Anwendung bei medizinischen Implantaten – ihre Gewebeverträglichkeit zu optimieren.

 

Geschichte von Industrie-Diamanten

Prinzipiell gibt es zwei verschiedene Verfahren, um industrielle Diamanten herzustellen. Unter extrem hohem Druck kann Graphitpulver mit Hilfe von Katalysatorzusätzen in Diamant umgewandelt werden. Dieses Verfahren liefert Industriediamanten, die typisch aus millimeter-großen Kristallen bestehen. Das Verfahren der Firma Rho-Best hingegen erzeugt Diamantschichten bei niederem Druck aber hoher Gastemperatur aus methan-haltigen Gasen.

Die ersten Untersuchungen zur Herstellung von Diamantfilmen aus Gasen bei niederem Druck wurden in Russland Anfang der 70iger Jahre durchgeführt. Damals hat man den russischen Wissenschaftern aber noch kein Gehör geschenkt. Erst in den 80iger Jahren gelang es einigen Forschergruppen in den USA, das Verfahren nachzumachen. Die Herstellung nano-kristalliner Diamantschichten mit extrem glatten Oberflächen ist bislang nur wenigen Arbeitsgruppen gelungen.

 

Forschung sgruppen mit speziellen Kompetenzen

Das Institut für Physikalische Chemie in Innsbruck ist eines von sieben Projektpartnern im Verbundprogramm Nano-Diamant-Netzwerk (NADINE). NADINE ist bestens in die Tiroler Innovationslandschaft eingebunden. Das Verbundprogramm wurde 2004 von der Österreichischen Nano Initiative ins Leben gerufen: Das Management und die Koordination des Verbundprogramms NADINE übernimmt während einer Laufzeit von fünf Jahren das Kompetenzzentrum Medizin Tirol (KMT). Inhaltlich liegt die Verantwortung in dem in Steinach am Brenner ansässigen Unternehmen rho-BeSt coating HartstoffbeschichtungsGmbH. In der Antragsphase wurde NADINE auch von der Tiroler Zukunftsstiftung und dem Verein der Westösterreichischen Initiative für Nano Netzwerke (W-INN) unterstützt. Gemeinsames Ziel ist es, einen neuen Werkstoff – den Ultra-Nano-Kristallinen Diamant (UNCD) – für den industriellen Gebrauch nutzbar zu machen. Bis 2006 soll der erste Prototyp eines Biosensors entwickelt werden.

 

Institut für Physikalische Chemie

Derzeit verfügt das Institut für Physikalische Chemie an der Leopold-Franzens-Universität Innsbruck über 12 wissenschaftliche Mitarbeiter. Sieben Studierende arbeiten als Doktoranden oder Diplomanden in der Forschung. Die internationale Zusammenarbeit reicht von Deutschland über Italien, Rumänien bis hin zu engen Kontakten nach China.