Kieler Forschende entdecken neuartigen elektrischen Effekt

Eine hauchdünne Beschichtung, die ganz von selbst ein dauerhaftes elektrisches Feld erzeugt: Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben einen bislang unbekannten Effekt bei bestimmten Kunststoffen entdeckt. Die Technik könnte künftig unter anderem in Smartphones, Sensoren und Solarzellen eingesetzt werden.

Was auf den ersten Blick nach einem unscheinbaren Stück Material aussieht, könnte für zukünftige elektronische Bauteile interessant werden. Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat herausgefunden, dass sich bestimmte extrem dünne Polymerbeschichtungen bereits während ihrer Herstellung elektrisch ausrichten.

Das Besondere: Dafür muss von außen keine elektrische Spannung angelegt werden.

Die Ergebnisse wurden im renommierten Wissenschaftsjournal Science veröffentlicht. (Universität Kiel⁠)

Ein bisschen wie ein Magnet – nur elektrisch

Das Prinzip lässt sich vereinfacht mit einem Kühlschrankmagneten vergleichen.

Ein Magnet erzeugt dauerhaft ein Magnetfeld. Die in Kiel untersuchten sogenannten Elektret-Schichten können dagegen ein dauerhaftes elektrisches Feld erzeugen.

Bisher mussten vergleichbare Polymerfilme nach ihrer Herstellung zusätzlich elektrisch polarisiert werden. Bei dem von den Kieler Forschenden untersuchten Verfahren passiert diese Ausrichtung dagegen bereits während der Beschichtung selbst. (Universität Kiel⁠)

Die Entdeckung kam dabei offenbar unerwartet.

Das Team untersuchte zunächst, welche elektrischen Eigenschaften verschiedene Ausgangsmoleküle besitzen. Bei Messungen der daraus hergestellten Beschichtungen stellten die Wissenschaftler fest, dass ein elektrisches Oberflächenpotenzial vorhanden war – obwohl zuvor kein äußeres elektrisches Feld angelegt worden war. (Universität Kiel⁠)

Bis zu 100 Volt – in einer nahezu unsichtbaren Schicht

Bei den ersten Untersuchungen erreichten die Beschichtungen Oberflächenpotenziale von bis zu 24 Volt.

Mittlerweile können die Kieler Forschenden nach eigenen Angaben Schichten herstellen, die bis zu 100 Volt Oberflächenpotenzial erreichen.

Dabei sind die Beschichtungen extrem dünn: Sie bewegen sich lediglich zwischen etwa zehn Nanometern und einem Mikrometer und sind damit für das menschliche Auge praktisch unsichtbar. (Universität Kiel⁠)

Wie stark das elektrische Potenzial ausfällt, können die Forschenden unter anderem über die Dicke der Schicht beeinflussen.

Interessant für Smartphones, Sensoren und Solarzellen

Noch handelt es sich um Forschung – die möglichen Anwendungen sind allerdings vielfältig.

Denkbar wären die selbstpolarisierenden Beschichtungen beispielsweise bei:

• Smartphones und anderen mikroelektronischen Geräten

• Sensoren und Detektoren

• elektronischen Bauteilen

• Energietechnik

• Solarzellen

• biologischen und medizinischen Oberflächen

Da kein zusätzlicher Arbeitsschritt zur elektrischen Polarisierung notwendig ist, könnte das Verfahren die Herstellung entsprechender Komponenten vereinfachen.

Langfristig hält das Forschungsteam es zudem für möglich, dass solche Beschichtungen dabei helfen, den Energiebedarf bestimmter elektronischer Bauteile zu reduzieren. (Universität Kiel⁠)

Alternative zu PFAS-haltigen Materialien?

Ein weiterer Punkt könnte aus Umweltsicht interessant werden.

Viele bisher verwendete polarisierte Polymerfilme enthalten PFAS. Die Stoffgruppe wird häufig als „Ewigkeitschemikalien“ bezeichnet, weil viele ihrer Vertreter in der Umwelt nur sehr schwer abgebaut werden.

Der in Kiel beobachtete Effekt lässt sich dagegen auch mit PFAS-freien Polymerfilmen erzeugen. Damit könnten zukünftig nachhaltigere Alternativen für bestimmte Anwendungen möglich werden. (Universität Kiel⁠)

Aus Kiel in die industrielle Anwendung

An der Forschung beteiligt ist unter anderem Dr. Stefan Schröder von der Technischen Fakultät der CAU.

Gemeinsam mit weiteren Forschenden wurde aus dem Umfeld der Universität zudem bereits das Unternehmen conformally GmbH gegründet. Es beschäftigt sich damit, das verwendete Beschichtungsverfahren in industrielle Anwendungen zu übertragen. (Universität Kiel⁠)

Ob die neuen selbstpolarisierenden Beschichtungen tatsächlich irgendwann in Smartphones, Sensoren oder Solarzellen stecken werden, muss sich noch zeigen.

Die grundlegende Entdeckung ist allerdings gemacht: Eine extrem dünne Kunststoffschicht kann bereits während ihrer Herstellung ein dauerhaftes elektrisches Feld entwickeln – ohne dass sie anschließend von außen elektrisch polarisiert werden muss.

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Hinweis zur Transparenz: Dieser Artikel wurde mit Unterstützung Künstlicher Intelligenz erstellt und anschließend redaktionell geprüft und bearbeitet.