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Das Ziel dieses Verbundprojekts war es, die tribologischen Eigenschaften von Graphen-Lagen (Reibung und Verschleiß) auf Metallen und anderen Werkstoffen wie SiC zu untersuchen und die Synthese dieser Lagen im Hinblick auf sowohl die Reibeigenschaften als auch auf ihre Beständigkeit zu optimieren. Ein Schwerpunkt der Arbeiten lag auf Oberflächendefekten wie Stufen und Korngrenzen, über denen Graphenfilme besonderen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Dieses Ziel sollte durch den Verbund von Expertise in den Bereichen Film¬wachstum von Graphen, Tribologie und Schadensanalyse von einzelnen Atomen bis hin zu makroskopischen Skalen sowie atomistischer Simulation von Wachstum und Reibverhalten von Kohlenstoffstrukturen erreicht werden. Der besondere Beitrag dieses Teilprojekts zu den wissenschaftlichen Arbeitszielen lag in der Analyse des tribologischen Verhaltens von Graphenfilmen auf kleinster Skala. Einerseits sollte in nanotribologischen Experimenten die Stabilität der Filme unter dem extremen Druck in nanoskaligen Kontakten erforscht werden. Dabei lag der Schwerpunkt auf strukturellen Defekten der Probenoberfläche wie mikroskopischen Stufen oder Korngrenzen. Andererseits sollte eine den mikrotribologischen Experimenten folgende Schadensanalyse auf der Nanometerskala verfolgt werden. Die hochauflösende Rasterkraftmikroskopie sollte auch dazu beitragen, die Struktur und Qualität der Graphenfilme auf SiC, auf Metallen und auf Oxiden zu charakterisieren. Die Ergebnisse sollten die Verknüpfung zwischen mikroskopischer Struktur und tribologischer Stabilität aufzeigen und damit zum technischen Gesamtziel, der Entwicklung von Schichten mit kleiner Reibzahl, die unter moderater Belastung langzeitstabil sind, beitragen.[...]

Die Auswirkungen technisch relevanter Nanopartikel auf die Gesundheit des Menschen stellen eine Thematik von hoher gesellschaftlicher aber auch wissenschaftlicher Relevanz dar. Ziel des Vorhabens war es, durch Kombination chemischer, physikalischer und biologischer Kenntnisse und Techniken, Wechselwirkungen zwischen Zellen und Nanopartikeln zu analysieren und Mechanismen aufzuklären, welche eine möglicherweise toxische Wirkung von Nanopartikeln gegenüber menschlichen Zellen herbeiführen. Dieses Ziel sollte durch Einsatz moderner lichtmikroskopischer Techniken, vor allem der neu entwickelten STimulated Emission Depletion (STED-) Mikroskopie, einer hochauflösenden Variante der Konfokalmikroskopie erreicht werden. Mit Hilfe der STED-Technik können fluoreszenzmarkierte Nanopartikel und nanoskalige zelluläre Komponenten ortsaufgelöst sichtbar gemacht werden. Ziel war es, die Lokalisation und den Status der Partikel innerhalb der Zellen detailgenau zu analysieren. Neben der Partikellokalisation sollten die Auswirkungen der eingesetzten Partikel auf die Zellen anhand morphologischer Untersuchungen und biochemischer Tests erfasst werden. Um die Lokalisation der Partikel mit der biochemischen Antwort der Zellen, aber auch mit den Partikeleigenschaften zu korrelieren (Abbildung 1), war der Einsatz wohl definierter Nanopartikel erforderlich.[...]

Das Ziel des Projektes "NanoSpekt" war es, neue elektronische Materialien auf Basis von Partikelanordnungen zu entwickeln und sie als Schichten mit wohldefinierter Mikrostruktur für transparente und flexible Elektronik abzuscheiden. Das Projekt deckte unterschiedliche Stufen der Materialherstellung ab, von der Synthese von Nanopartikeln (NP) bis zur Charakterisierung der ferten Schichten. [...]

Enhanced dry adhesion of micropatterned polymeric surfaces has been frequently demonstrated. Among the design parameters, the cap geometry plays an important role to improve their performance. In this work, we combined experiments on single polyurethane mushroom-shaped fibrils (with stalk diameter 80 µm and height 125 µm) against flat glass, with numerical simulations implementing a cohesive zone. We found that the geometry of the mushroom cap strongly affects the interfacial crack behavior and the pull-off stress. The experimental and numerical results suggest that optimal adhesion was accompanied by the appearance of both edge and interior interfacial cracks during separation. Finite elemental analyses revealed the evolution of the interfacial stress distributions as a function of the cap thickness and confirmed the distinct detachment mechanisms. Furthermore, the effect of the stalk diameter and the Young's modulus on the adhesive force was established, resulting in an optimal design for mushroom-shaped fibrils.

Octopus, clingfish, and larva use soft cups to attach to surfaces under water. Recently, various bioinspired cups have been engineered. However, the mechanisms of their attachment and detachment remain elusive. Using a novel microcup, fabricated by two-photon lithography, coupled with in situ pressure sensor and observation cameras, we reveal the detailed nature of its attachment/detachment under water. It involves elasticity-enhanced hydrodynamics generating “self-sealing” and high suction at the cup-substrate interface, converting water into “glue.” Detachment is mediated by seal breaking. Three distinct mechanisms of breaking are identified, including elastic buckling of the cup rim. A mathematical model describes the interplay between the attachment/detachment process, geometry, elasto-hydrodynamics, and cup retraction speed. If the speed is too slow, then the octopus cannot attach; if the tide is too gentle for the larva, then water cannot serve as a glue. The concept of “water glue” can innovate underwater transport and manufacturing strategies. Under-water soft cups form strong attachment with solid surfaces upon retraction by generating large transient suction.