So lange, bis die Chemie stimmt

Dorina Opris erforscht an der Empa, wie sich komplexe elektroaktive Polymere für Roboter-Bauteile, Sensoren oder Batterien synthetisieren lassen – ein aussichtsreiches Projekt, das der Europäische Forschungsrat derzeit mit einem seiner prestigeträchtigen «ERC Consolidator Grants» fördert. Nicht der erste Erfolg der Empa-Chemikerin – doch der Weg dahin war nicht leicht.

Dass sie ihr Gebiet von A bis Z beherrscht, verdankt sie, wie sie betont, auch Knowhow, das Kollegen an der Empa aufgebaut hatten – wie der Ingenieur Gabor Kovac. Er trieb die Herstellung von Stapelaktuatoren mit dehnbaren Silikonscheibchen über viele Jahre voran und entwickelte sie mit seinem Partner Lukas Düring zur Einsatzreife, bis ihr Spin-off «CTsystems» vor kurzem vom Konzern Daetwyler übernommen wurde.

«Die Geräte für Messungen, wie sich Aktuatoren bei verschiedenen elektrischen Feldern dehnen, wurden von ihnen entwickelt», erzählt Opris, «wir waren früh auf diesem Thema, und das hat mir enorm geholfen.» Anders als die Kollegen arbeitet die Chemikerin freilich weniger an der Technologie zum Druck solcher Bauteile, sondern eine «Etage darunter» – an der Synthese neuartiger Polymere, die sich als nicht-leitende Schichten für Stapel-Transistoren, elastische Folien zur Stromerzeugung und andere Elemente eignen.

Das Wunschprofil: möglichst dünn, mit dem Fernziel von vielen Schichten von nur zehn Mikrometern Dicke; gut dehnbar, empfindlich auf niedrige Stromspannung und zugleich robust. Und vor allem: druckfähig, also ohne Lösungsmittel für die leitenden Schichten, zwischen denen die Polymere liegen. «Durch Lösungsmittel kann es passieren, dass die Polymerschichten beschädigt werden. Ausserdem müsste das Material lange trocknen, um keine gesundheitsschädlichen Dämpfe abzugeben», erklärt Opris, «deshalb versuchen wir, ohne sie auszukommen – mit der richtigen Chemie.»

Vielfältige Anforderungen, mit denen sich Forschende in aller Welt beschäftigen. Geeignete Verbindungen, die Hoffnungen wecken, sind ­Polysiloxane, an denen auch die Empa-Spezialistin arbeitet. Ein wichtiger Vorzug dieser Polymere: Sie lassen sich relativ leicht synthetisieren; das «Rückgrat» ihre Stränge ist sehr beweglich – und sie können mit polaren Gruppen, also plus-minus-geladenen Molekülen, gezielt manipuliert werden.

Schlangenartige Moleküle
Was für Laien schwer verständlich ist, erklärt Dorina Opris mit einem anschaulichen Bild: «Diese Polysiloxane kann man sich vorstellen wie einen Topf voller Schlangen, die sich ständig bewegen wollen.» Die polaren Gruppen wirken zweifach auf sie. Zum einen machen sie die molekularen Schlangen empfindlicher für elektrische Felder, damit sie auf niedrige Spannungen reagieren. Zum anderen wirken sie wie eine Art Klebstoff zwischen den Molekülen; das «versteift» sie und verringert damit die wichtige Elastizität. Es gilt, beide Effekte fein zu justieren, um maximalen Erfolg zu erzielen. Für einen Einsatz in der Praxis ist der Übergang vom festen zum elastischen Zustand bei tiefen Temperaturen wichtig, damit die Technologie später bei Raumtemperatur anwendbar ist. Zudem müssen solche Polymergebilde noch chemisch «vernetzt» werden, damit daraus elastische Schichten werden können – etwa durch UV-Licht und mit Hilfe von sogenannten Endgruppen: quasi molekulare «Hüte», die die Schlangen an ihren Enden tragen. Doch in der Laborpraxis erweist es sich bisher als knifflig, diese Polymere zuverlässig mit definierten Endgruppen zu versehen. «Das ärgert mich schon!», gesteht Opris mit einem Lächeln.

Gesunden Ehrgeiz braucht es für das TRANS-Projekt, das sie Chemikerin selbst «sehr, sehr ambitioniert» nennt. Optimistisch stimmt das Team, dass frühere Arbeiten bereits ermutigende Resultate lieferten; wie zum Beispiel eine Polysiloxan-Verbindung, die auf eine Spannung von nur 300 Volt reagierte und sich stark verformte – ein extrem niedriger Wert. Kondensator-Schichten ohne Lösungsmittel zu drucken, ist ebenfalls bereits gelungen. Und ein Doktorand hat kürzlich ein piezo-elektrisches Elastomer entwickelt, dass, wenn es gedehnt wird, eine deutlich höhere elektrische Reaktion zeigt als andere, derzeit gängige Verbindungen.

Kreativität und Teamgeist für Erfolge
Um verwertbare Erfolge zu erzielen, sind freilich noch viele weitere Schritte nötig – und jene Qualitäten, die Dorina Opris an die Empa und an die ETH Zürich gebracht haben. Nicht nur Stehvermögen und die Fähigkeit, Fehlversuche in Fortschritte zu verwandeln, sondern auch ein inspirierendes Umfeld für Mitarbeitende zu schaffen, das offene Debatten und auch Irrtümer erlaubt, damit gute Ideen entstehen.

Und vor allem: Optimismus. Jungen Forschenden sollte man, so findet die Chefin, spannende und fordernde Projekte geben und sie dann selbstständig arbeiten lassen, damit sie motiviert bleiben. Ihr Rat an talentierte Frauen anhand ihrer eigenen Biografie: «Warte nicht, bis Dich jemand drängt zu forschen. Du musst eigenmotiviert und stark sein, und ziehe es durch! Und geh auch mal ein Risiko ein.»

Quelle: www. empa.ch