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INTERVIEW/008: Kernfusion und Plasmaforschung - Spurenlese ...    Prof. Dr. Jürgen Meichsner im Gespräch (SB)


Pressereise zur Startvorbereitung für den Wendelstein 7-X & Plasmaphysik im All und auf der Haut

Professor Jürgen Meichsner am 18. August 2015 am Institut für Physik der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald


Trotz einer 90jährigen Tradition in der Plasmaphysik in Greifswald, die heute durch das Institut für Physik der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald und die außeruniversitären Forschungsinstitute, das Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP) und das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), getragen wird, geben Plasmen Grundlagenforschern wie Prof. Dr. Jürgen Meichsner immer noch Rätsel auf. Unter dem Titel "Funktionale Oberflächen durch plasmagestützte Nanotechnologie" stellte dieser am 18. August 2015 sein Fachgebiet "Niedertemperatur-Plasmaforschung" und die Arbeit am Institut für Physik der Ernst-Moritz-Arndt-Universität vor.

Sind schon die einzelnen physikalischen Fachbegriffe für den 'Nichteingeweihten' erklärungsbedürftig, so mag sich auch ein informierter Technikexperte, der dabei sofort an neue HighTech-Materialien, superleichte Carbonkarosserien, den Lotuseffekt bzw. sich selbst reinigende Waschbecken und Kloschüsseln denkt, die Frage stellen, was Nanotechnologie ausgerechnet mit Plasmaphysik zu tun hat.


In der Eingangshalle des Instituts für Physik läuft ein gewaltiger, versteinerter blauer Tropfen von der Betonwand. Am Ende der Treppe Prof. Meichsner, der den Besuchern des IfP den Weg weist. - Foto: © 2015 by Schattenblick

Nanoeffekt in Megamakrovergrößerung
Genau so sieht ein Fleck aus, wenn Textilien mit einem plasmavernetzten, flüssigkeitsabweisendem Polymer beschichtet werden.
Foto: © 2015 by Schattenblick

Nanotechnologie ist ein Sammelbegriff für alle Forschungsgebiete, die sich mit besonders strukturierten, sogenannten Nanoteilchen beschäftigen, vom Einzel-Atom bis zu geordneten Clustern [d.h. Molekülen und Atomverbänden] in einer Strukturgröße bis zu 100nm [Nanometern]. In Plasmen, die auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet werden, herrscht hingegen per Definition das "komplexe" Chaos. Durch die zusätzliche Energiezufuhr wird jede feste bzw. gasförmige Materie in noch feinere Partikelchen unvorhersagbarer Zusammensetzung zerrissen. Negativ oder positiv geladene Ionen neben freien Elektronen und besonders aggressiven Teilchen, bei denen nur ein ungepaartes Elektron übrig geblieben ist, bilden darin ein hochreaktives Substrat, über dessen Zusammensetzung und Möglichkeiten selbst Plasmaforscher immer noch sehr wenig wissen, in dem sie aber ein schier unendliches, noch unergründetes Potential vermuten, wozu man es benutzen könnte. Kritiker sehen darin ein Nämliches an unerforschten Gefahren.

Es sei hier am Rande erwähnt, daß sich Plasmen tatsächlich dazu nutzen lassen, Nanoteilchen herzustellen. Die ersten Nanotubes, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren, die 1991 zufällig von Sumio Iijima mit einem Elektronenmikroskop entdeckt und identifiziert wurden, hatte dieser gewissermaßen als Nebenprodukt in einem Plasma erzeugt. Sie entstanden unbeabsichtigt während einer Lichtbogenentladung zwischen zwei Kohlenstoffelektroden. Ein Lichtbogen-Startschaltkreis ist ein Hochfrequenzgenerator-Schaltkreis, bei dem eine Wechselspannung von 5.000 bis 10.000 Volt erzeugt wird, um Gas zu ionisieren. Und das ist nichts anderes als ein potentes Plasma, mit dem sich entsprechend gebündelt sogar Metall durchtrennen läßt.

Es gibt aber noch weitere Möglichkeiten, Nanostrukturen in Plasmen zu züchten oder Plasmen als Medium zu verwenden, um Nanoteilchen auf Oberflächen zu fixieren. Diesen Forschungsaufgaben widmet sich unter vielen anderen "Grundlagen komplexer Plasmen" der DFG Sonderforschungsbereich Transregio 24 am Institut für Physik der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald in Kooperation mit der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und dem INP Greifswald. Sein Sprecher und einer der Leiter mehrerer Teilprojekte ist Prof. Jürgen Meichsner, der immer wieder darauf hinweist, daß man den Begriff "komplexe Plasmen" wörtlich nehmen muß. Denn die experimentellen und theoretischen Auseinandersetzungen, die unter seiner Leitung bei der Untersuchung von sogenannten staubigen (hier: partikelhaltigen) Plasmen, aber auch chemisch-reaktiven und elektronegativen Plasmen einschließlich ihrer Wechselwirkung mit Elektroden und Wänden stattfinden, zeigen, daß in jedem Plasma viele Reaktionen gleichzeitig und auf verschiedenen Ebenen nebeneinander herlaufen, sich aber auch gegenseitig beeinflussen, woraus sich viele noch ungeklärte Fragen und auch unbeherrschbare Probleme ergeben. Wie die Grundlagenforschung den zahlreichen Einzelproblemen im Detail nachzugehen sucht, um darüber die Komplexität aufzuschlüsseln (und sich möglicherweise dabei im Detail verliert), und daß dafür Interesse an mathematischen Problemen und Spaß an geduldigster Tüftelarbeit unabdingbar sind, erläuterte Prof. Meichsner dem Schattenblick im Anschluß an die Veranstaltung.


Prof. Dr. Jürgen Meichsner im Interview - Foto: © 2015 by Schattenblick

Wie lassen sich magnetische oder photonische Nanopartikel in Oberflächen nutzen, sind zwei der zukünftigen Fragen an die Plasmaforschung, für die am IfP die Grundlagen geschaffen werden.
Foto: © 2015 by Schattenblick

Schattenblick (SB): Prof. Meichsner, können Sie unseren Lesern mit einfachen Worten erklären, mit welchen Plasmen Sie in Ihrem Forschungsbereich arbeiten und was Sie daran interessiert?

Prof. Dr. Jürgen Meichsner (JM): Zunächst einmal arbeiten wir mit sogenannten Laborplasmen, die in einem Gefäß eingeschlossen sind. Uns interessieren vor allem die Übergänge von der metallischen Elektrode bis zum Plasma, die bei einer Entladung entstehen, sowie die Übergänge vom Plasma bis zu der Oberfläche eines Substrats oder einer Sonde. Das ist etwas, das bei der Zündung oder Entladung in das Plasma getaucht wird. Auch die Wand des Reaktionsgefäßes ist ebenfalls eine Oberfläche, an der Übergange zwischen Plasma und Wand stattfinden, die wir untersuchen.

Dazu muß man vielleicht wissen, daß ein Plasma "quasineutral" ist. Auf ein größeres Gebiet verteilt hat man genauso viele positive wie negative Ladungsträger. Wenn ich jetzt eine Sonde eintauche, ändert sich das. Die Quasineutralität wird verletzt.

In nichtthermischen Plasmen und auch speziell in elektronegativen Plasmen, die auch als kalte Plasmen bezeichnet werden, sind die Elektronen im Unterschied zu den größeren Teilchen gewöhnlich sehr heiß, setzen sich sofort auf die eingebrachte Oberfläche und laden diese negativ auf. Davor schichtet sich dann automatisch eine positive Raumladung aus den schweren, kühleren und positiv geladenen Teilchen. Diese Plasmagrenzschicht, wie wir sie nennen, bestimmt den Ladungsträgerfluß, der auf die Oberfläche einfällt.

Das heißt, schon bei einer relativen, geringen Potentialdifferenz von 15 bis 20 Volt, die bei solchen isolierten Substraten im Plasma, sogenannten "floatenden Proben" [1] entstehen, fließen bereits positive Ionen zur Oberfläche und treffen dort auf.

Bei Elektroden für Hochfrequenzentladung, mit denen man auf Spannungen von 100 Volt oder 200 Volt kommt, wird die Oberfläche mit Ladungsträgern regelrecht bombardiert. Dabei können dann mechanische Effekte an der Oberfläche auftreten, wie das physikalische Zerstäuben, bei dem Material abgetragen wird. Das kann man dann für "Zerstäubungsprozesse" nutzen.

SB: Was versteht man unter dieser Anwendung und inwiefern unterscheidet sich dieses Plasmaverfahren von dem Plasmaätzen, das Sie in Ihrem Vortrag erwähnten?

JM: Das sind verschiedene Verfahren. Beim Zerstäuben handelt es sich um eine Erosion oder einen Abtrag von Material. Beim Ätzen erzeugen wir im Plasma reaktive Systeme. Das heißt wir erzeugen mit Hilfe von Flourkohlenstoffplasmen freies hochreaktives Fluor. Das reagiert mit Silicium und bildet dabei Siliciumtetrafluorid SiF4 [2], ein flüchtiges, aber stabiles Produkt, das dann mit der Gasphase thermisch desorbiert wird [d.h. hier: verdunstet oder abgedampft wird - Anm. d. SB. Red.].

Anders gesagt, beim klassischen Plasmaätzen werden die reaktiven Teilchen, die auf die Oberfläche einwirken, zunächst im Plasma gebildet. Dabei spielt aber die Plasmagrenzschicht, von der ich eben sprach, keine Rolle.

Sie sehen hieran aber schon, wie komplex Plasmen sind. Komplex nicht nur im Hinblick auf die Partikel, die darin enthalten sind oder für ihre Erzeugung genutzt werden können. Verschiedene Effekte wie der Ionenbeschuß und chemische Reaktionen können im Plasma gleichzeitig nebeneinander auftreten und sich synergistisch verstärken, indem beispielsweise durch Ionenbeschuß freie Oberflächenplätze geschaffen werden, an denen sich reaktive Teilchen oder Radikale anbinden können.

Das rein physikalische Sputtern [3] ist ein Stoßprozeß, der durch Ionenbeschuß, also durch Teilchen erzeugt wird. Man kann dafür Ionenstrahlquellen einsetzen. Eine solche Stoßkaskade wirkt wie ein elastischer Stoßprozeß. Stellen Sie sich die Atome wie einen Haufen Tennisbälle vor. Wenn diese an einer Stelle angestoßen werden, weil etwas auftrifft, dann wird an einer anderen Stelle etwas herausgekickt oder elastisch herausgedrückt. Genau das passiert beim Sputtering oder bei der Zerstäubung.

Weil Plasmen so komplex sind, untersuchen wir nicht nur das Plasma, sondern auch die plasmachemischen Prozesse, die Ladungsträgerbilanz und die Randschichten des Plasmas. Je größer ein Molekül ist, um so komplexer wird das Plasma, das bei Energiezufuhr daraus erzeugt wird. Beispielsweise ist Sauerstoff ein ganz einfaches Gas, aber bereits in einem Sauerstoffplasma kommen mindestens elf verschiedene Sauerstoff-Teilchen vor, die man dann berücksichtigen muß.

SB: Läßt sich eigentlich überhaupt noch berechnen oder vorhersagen, was ein Plasma bewirkt, wenn man es beispielsweise mit lauter verschiedenen Sauerstoffteilchen zu tun hat, die alle unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften besitzen?

JM: Und die im Prinzip alle bei diesen Prozessen entstehen können. Es gibt mindestens elf: "O", O2, und O3, also Ozon, und dann kommen diese drei Sauerstoffarten jeweils als positiv geladene Ionen und als negativ geladene Radikale vor. Dann gibt es auch noch die freien Elektronen und ein metastabil angeregtes Teilchen, das sehr langlebig ist. Und all die kommen im Sauerstoffplasma vor. Das ist nur eine Minimalvariante und bereits sehr komplex. Bei anderen Systemen, beispielsweise bei siliciumorganischen Verbindungen, wird es sehr viel komplizierter.

Autoscheinwerfer zum Beispiel, die mit einer metallischen Aluminiumschicht versehen werden, brauchen eine Korrosionsschutzschicht, die sich mit einem Plasmaverfahren aufbringen läßt. Dabei kommen siliciumorganische Verbindungen, die einfachste wäre hier Dimethylsiloxan, zum Einsatz. [4] Dimethylsiloxan ist eine kurze Silicium-Sauerstoff-Silicium-Kette und an jedem Silicium hängen noch zwei Methylgruppen, also Kohlenwasserstoffverbindungen (-CH3). Wenn so ein Molekül in ein Plasma eintaucht, wird es durch die Elektronenstoßprozesse, das heißt durch Dissoziation oder dissoziative Ionisierung, in alle möglichen Bruchstücke und Fragmente zerschlagen. Und daraus können sich im Gasraum natürlich weitere neue Verbindungen bilden, etwa stabile siliciumorganische Verbindungen wie die Methylsilane. [5] Kurz gesagt: das grundlegende Verständnis über Plasmen und wie sie funktionieren ist vorhanden. Kompliziert wird es erst dann, wenn viele Reaktionen stattfinden und die Vielfalt an Produkten und Nebenprodukten sehr groß wird.


Grafik: by Juergen Bode (Benutzer) lizensiert als CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons

Sauerstoffradikale, wie man sie sich als oxidativen Streß im Körper vorstellt.
Schon eine einfache Verbindung kann sich in hochreaktive Spezies teilen, im Plasma sind es mindestens elf.
Grafik: by Juergen Bode (Benutzer) lizensiert als CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons



Grafik: gemeinfrei via Wikimedia commons Grafik: gemeinfrei via Wikimedia commons

Aus polymerisiertem Dimethylsiloxan kann im Gasraum Dimehylsilan entstehen. Welche Strukturen sich unter Plasmabedingungen aus komplizierteren Molekülen bilden, entzieht sich der menschlichen Kontrollmöglichkeit.
Grafik: gemeinfrei via Wikimedia commons

SB: Lassen sich die verschiedenen Plasmateilchensorten und Plasmaspezies auch gezielt erzeugen oder ihre Entstehung ausschließen?

JM: Mit Niederdruckplasmen lassen sich verschiedene Spezies vermeiden. Das heißt in Niederdruckentladungen bildet sich kein Hyperoxidanion (·O2(-)) und auch kein Ozon. Um ein Ozon zu bilden, müssen drei Teilchen für kurze Zeit gleichzeitig miteinander wechselwirken und die Wahrscheinlichkeit, daß das bei Niederdruckverhältnissen passiert, ist bei großen freien Weglängen und einer dadurch geringeren Stoßwahrscheinlichkeit sehr gering. Das ist bei Atmosphärendruckplasmen, mit denen im INP, im Leibniz Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. gearbeitet wird, anders. [6] Sowohl in dem am INP entwickelten Plasmajet als auch bei der Barriere Entladung, wie sie bereits mit der Ozonröhre, die von Werner von Siemens 1857 entwickelt wurde, wird bei Anwesenheit von Sauerstoff fast immer auch Ozon erzeugt. Das Prinzip von Siemens nutzt man sogar heute noch bei der Wassersterilisation.

SB: Werden manchmal auch konkrete Wünsche oder Forschungsziele aus der Wirtschaft oder von anderen Forschungseinrichtungen an Ihre Projektgruppe herangetragen?

JM: Im Rahmen des Campus PlasmaMed [7], einem großen Pilotprojekt unter Federführung des INP, an dem zahlreiche renommierte Forschungseinrichtungen, Krankenhäuser und auch Industrievertreter in einem Verbund zusammengeschlossen worden waren, war das so. Dort geht es um die Beschichtung und Verbesserung der Eigenschaften von Knochenimplantaten und dabei werden durchaus konkrete Zielrichtungen von den Materialwissenschaften und der Medizin formuliert. Erstens wird eine bessere Zelladhäsion, das heißt ein schnelleres Einwachsen des Implantats in das Körpergewebe, gefordert und gleichzeitig sollen die antibakteriellen Eigenschaften verbessert werden, um eine Nachoperation oder eine schlechte Heilung auszuschließen.

Wir haben in diesem Zusammenhang Plasmapolymerschichten mit Ethylendiamin entwickelt, und im INP wurde parallel dazu ein anderes System untersucht. Das hat funktioniert. Mit beiden Systemen konnten wir erfolgreich zelladhäsive Schichten erzeugen. Das Material wurde inzwischen ein Jahr gelagert und vor kurzem weitere Tests damit durchgeführt, um festzustellen, wie viele Zellen anhaften können, ob sie noch darauf wachsen und wie sich die Zellen nach weiteren 24 Stunden verhalten. Auch damit hatten wir trotz gewisser Alterungseffekte wie etwa Sauerstoffeinlagerungen, Erfolg. Die Schichten waren immer noch okay.

Um aber darüber hinaus antimikrobielle oder antibakterielle Eigenschaften zu gewährleisten, muß im Grunde eine gewisse Toxizität vorhanden sein, woraus sich neue Fragestellungen und Probleme ergeben. Kompositschichten mit Nanosilberteilchen wären im Prinzip eine Möglichkeit, doch die Medizin möchte prinzipiell kein Silber in den Körper einbringen, weil Silber nicht abgebaut wird.

Eine andere antibakterielle Komponente wäre Kupfer. Kupfer wird beim gesunden Menschen auf natürliche Weise abgebaut. Wenn man jedoch Kupfer mit einem Sputteringverfahren in die organische Schicht einbringt, bildet sich - wie sich herausstellte - zwischen Stickstoff und Kupfer eine Komplexverbindung, die toxisch auf die Knochenzelle wirkt, die dort hineinwachsen will. Realisieren läßt sich das alles nur als Gratwanderung, indem man möglichst genau herausfindet, wieviel Kupfer maximal verwendet werden darf, um bei optimaler antibakterieller Wirkung die negativen Effekte auf die Knochenzellen so gering wie möglich zu halten und noch ein gutes Knochenwachstum zu ermöglichen. In einer anderen Untersuchung will man herausfinden, in wieweit sich die Freisetzung von Kupferionen durch bestimmte Schutzschichten steuern oder verzögern lassen. Die richtige Einstellung dieser beiden gewünschten Effekte bringt also ein paar Schwierigkeiten mit sich, aber es geht.

SB: Gibt es eine Anwendung oder Forschungsaufgabe innerhalb Ihres Projekts zu nanosstrukturierten Oberflächen, die Ihnen besonders am Herzen liegt?

JM: Die Nanokompositschichten. Was wir im Rahmen des Sonderforschungsprogramms "Transregio 24" dazu untersuchen, ist ein Riesenfeld, in dem es noch sehr viele interessante, ungeklärte Fragen gibt.

Ich hatte in meinem Vortrag einen Weg beschrieben, solche Nanokompositschichten herzustellen, indem man zunächst Nanopartikel durch Zerkleinern von gröberem Material herstellt, dann in eine Suspension bringt und auf die Oberfläche aufträgt. Dem Plasma kommt dabei "nur" die Rolle zu, den Kunststoff, also die entsprechenden Monomere oder Methylsiloxane, zu einer festen Kunststoffschicht zu vernetzen. Denkbar wäre aber auch eine Kombination aus zwei Plasmaverfahren, beispielsweise die Plasmavernetzung mit einem Sputterverfahren. Dabei würde zunächst ein Anteil des Materials gesputtert, wobei sich größere Cluster und bei ausreichend großem Druck auch Nanoteilchen bilden können, die sich dann abscheiden lassen. Gleichzeitig könnte man dies mit einem organischen Plasma kombinieren, aus welchem dann die notwendige Matrixschicht gebildet werden kann.

Daraus ergäben sich sofort eine ganze Reihe von sehr interessanten Fragestellungen, zum Beispiel in Bezug auf das Beherrschen von Nanopartikeln, die nicht einmal homogen, also gleich groß, sein müssen: Wie lassen sich magnetische oder photonische Nanopartikel nutzen, die bereits durch Licht angeregt werden und dadurch ihre optische Eigenschaft verändern? Weitere Fragestellungen ergeben sich aus den physikalischen, chemischen oder toxischen Eigenschaften, die sich verändern oder auftreten, wenn Teilchen in der Größenordnung von Nanoteilchen erzeugt werden oder mit welchen Gradienten von Teilchengrößen sich Vergiftungen vermeiden lassen. Also das Thema Nanokompositschichten ist noch lange nicht ausgeforscht.

SB: Daß Nanoteilchen toxische Eigenschaften aufweisen können, die nur bei Teilchen dieser Größenordnung auftreten, oder daß Stoffe ihre Eigenschaften unvorhersagbar verändern, wenn man sie auf Nanogröße herunterbricht, ist durchaus ein umstrittenes Thema in der Umweltbewegung. Was geschieht mit diesen Nanoteilchen, wenn sie vermehrt, beispielsweise durch neue Kompositstoffe, in die Umwelt gelangen? Weiß man etwas darüber oder wird daran geforscht, wie man sie gegebenenfalls auch wieder aus der Umwelt herausbekommt?

JM: Das ist eine gute Frage. Zum einen muß man natürlich, wenn man Nanokompositschichten herstellt, auch garantieren können, daß diese Teilchen darin so fest eingebunden sind, daß sie nicht an die Umwelt abgegeben werden. Wir haben ja bereits ein Feinstaubproblem in der Umwelt. Nanopartikel werden sicherlich einmal mehr in der Umwelt eine Rolle spielen, die Frage ist dann wieder, wo sie auftreten werden und wie man sie findet. Denn analytisch sind sie nur schwer zu erfassen. Es gibt durchaus Filterverfahren, mit denen sich Nanoteilchen herausfiltern lassen. Ob die sich aber auf größere Dimensionen übertragen lassen, ob sie eine entsprechende Effizienz aufweisen, also das Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen angemessen bleibt, wenn die Industrie damit Nanostäube in großem Maßstab herausfiltern will?

Die Gefahr für die Umwelt und für den Menschen ist immer gegeben. Nanoteilchen können die Haut durchdringen und so in den Organismus gelangen.

Das gilt aber nicht allein für die Nanokompositschichten. Auch in anderen Projekten muß die Umweltproblematik eigentlich mitbedacht werden. Ein weiteres Projekt im Sonderforschungsbereich beschäftigt sich beispielsweise damit, in einem einfachen Acetylen-Plasma - das ist ein einfacher flüchtiger Kohlenwasserstoff, C2H2 - unter bestimmten Bedingungen Nanoteilchen von 10 bis 20 Nanometer wachsen zu lassen. Diese Teilchen werden in dem Reaktor erzeugt und damit stellt sich dann die Frage für die Forscher, kann man den Reaktor anschließend aufmachen und belüften? Natürlich geht das nicht.

SB: Gibt es irgendwelche Ansatzpunkte, an denen man bereits forscht, wie man den Eintrag von Nanoteilchen in die Umwelt verhindern will? Ich denke da an Versuche, solche Teilchen durch statische oder elektrische Aufladung gezielt zu bewegen oder zu steuern?

JM: Vorstellbar wären vielleicht Aerosole, an denen sich die Nanopartikel dann anlagern, wobei auch Aerosole nicht unproblematisch sind. Aber da bin ich nicht der Fachmann.

SB: Lassen sich die Verfahren, die Sie entwickeln, eins zu eins auch auf einen industriellen Maßstab übertragen?

JM: Das ist eine Frage, der wir uns immer wieder stellen müssen, wenn ein neues Plasmaverfahren entwickelt wird. Bei Niederdruckplasmen heben wir jedesmal verzweifelt die Hände. Niederdruck bedeutet, Sie müssen Vakuumsysteme bauen. Wenn Sie aber einen gewissen Durchlauf brauchen und nicht bloß eine Batchanlage [8] betreiben, die man aufmacht, etwas reinstellt und wieder zumacht, dann sind Vakuumsysteme, die für einen kontinuierlichen Durchlauf konstruiert werden, sehr teuer. Wenn man darüber ernsthaft nachdenken will, sollte man genau überlegen, ob das ursprüngliche, chemische Verfahren, nicht doch die einfachere, unaufwendigere und vor allem preiswertere Lösung ist.

Um nochmal auf das Thema Implantate zurückzukommen: Wenn es einem Hersteller gelingt, eine Calcium-Phosphat-Oberfläche auf konventionelle Weise zu produzieren, also eine Art Kunstknochen zu erzeugen, dessen Oberfläche haftfest ist und auf der die Knochenzellen gut wachsen, wird er natürlich kein Plasmaverfahren und schon gar kein Vakuum- oder Niederdruckplasma-Verfahren dafür verwenden.

Was die Anwendungen betrifft, geht der Trend in Richtung Atmosphärendruckplasmen. Auch hiermit lassen sich Beschichtungen durchführen. Allerdings hat man es dabei mit einer etwas anderen Chemie zu tun und dann im industriellen Maßstab wieder mit anderen Problemen, beispielsweise mit Strömungsproblemen wie der Konvektion, weshalb man mit Schutzgasen arbeitet, die die Luft vom eigentlichen Plasma abschirmen.

SB: Sie erwähnten vorhin die Möglichkeit, Oberflächen mittels Plasmaverfahren vor Korrosion zu schützen. Ist solche Qualitätsverbesserung, die mit einer längeren Haltbarkeit einhergeht, von der Wirtschaft überhaupt von Interesse? Sind von den Herstellern nicht eher berechenbare Obsoleszenzen, also die berüchtigten Sollbruchstellen, erwünscht, die den Konsum fördern?

JM: Dazu kann ich eigentlich nichts sagen, weil wir hier im Gegensatz zum Fraunhofer Institut nicht industrienah arbeiten, auch wenn einige unserer Projekte von der Volkswagenstiftung öffentlich gefördert werden. Das ist der Vorteil einer öffentlichen Förderung von Forschungsprojekten, auch viele BMWF-Projekte werden auf diese Weise finanziert. Wie arbeiten auch mit dem Fraunhofer Institut zusammen, aber was das am Ende daraus macht und welche Ziele sie damit verfolgen, werden sie uns nicht verraten.

Ich kann aber etwas zum metallischen Herstellungsbereich im Motorenbau sagen. Dort kommen seit mehr als zehn Jahren konventionelle, physikalische Verfahren zur Anwendung, etwa die Nitrierung der Oberfläche, mit denen die besonders verschleißanfälligen Anteile eines Motors durch zusätzliche Hartstoffschichten besser geschützt werden sollen. Sonst wäre die Lebensdauer der meisten Motoren wesentlich kürzer.

SB: Man könnte vielleicht denken, daß sich junge Menschen eher in den konkreten Anwendungsbereichen oder auch in der Umweltforschung engagieren. Wie sieht es in Ihrem Bereich der Grundlagenforschung eigentlich mit dem Nachwuchs aus?

JM: Wir hatten in den letzten Jahren Glück und konnten aus unseren eigenen, relativ wenigen Studenten immer wieder sehr gute Physiker und damit Doktoranden rekrutieren.

Aber dennoch ist in einem Flächenland, in dem die Bevölkerungsdichte extrem niedrig ist und die meisten Studenten aus dem Umfeld kommen, der Nachwuchs natürlich ein Problem. Wir fangen hier mit etwa 50 Einschreibungen an, und davon bleiben am Ende vielleicht 25. Wenn Sie das mit dem Ruhrgebiet vergleichen, da haben Sie fünf Universitäten und die haben alle jeweils 100 oder 150 Anfänger in der Physik. Wir müssen hier wesentlich härter kämpfen.

SB: Wir hatten gerade in diesen Tagen den Eindruck gewonnen, daß Greifswald mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), dem Institut für Physik (IfP) und dem dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie (INP) ein prädestinierter Standort für das Studium der Plasmaphysik ist. Gibt es auch Bereiche der Plasmaphysik, die hier nicht abgedeckt werden?

JM: Plasmaforschung ist ein Riesengebiet, das über die Bereiche Hochtemperaturplasmaforschung und Niedertemperaturplasmaphysik hinausgeht.

In der Astrophysik gibt es nichtideale Plasmen. Im Inneren von Jupiter lassen sich Energiezustände finden, die fast in Festkörperdichte übergehen. Da können Sie nicht mehr von einem klassischen Plasma sprechen, das ist dann ein Festkörperplasma. Bei noch höheren Energien und Temperaturen erhalten Sie relativistische Plasmen. Sobald man die bereits sehr hohe Energie der Elektronen überschreitet, kommen Sie in den Bereich relativistischer Systeme, die dann in der Astrophysik eine Rolle spielen. Astroplasmaphysik ist dann schon wieder was anderes. Diese Bereiche werden bei uns nicht erforscht.

Aber natürlich kann man hier eine allgemeine Plasmaphysik-Grundausbildung erhalten, weil die Plasmaeigenschaften, für den Materiezustand typisch, immer gleich sind. Und danach gibt es so eine Art Y-Modell, wo die Absolventen des Masterstudiengangs zwei Richtungen einschlagen können. Das heißt, sie entscheiden sich für die Hochtemperaturplasmaphysik oder für die Niedertemperaturplasmaphysik hier am Institut oder am Leibniz-Institut INP. Wenn jetzt noch als drittes, die Astroplasmaphysik, dazu käme, würden wir tatsächlich alles in Greifswald abdecken.

Greifswald ist vor allem durch die Niedertemperaturplasmaphysik bekannt geworden. Bis zur Wende waren fast alle Lehrstühle mit Professoren besetzt, die sich mit Plasma beschäftigten. Nach der Wende hat der Wissenschaftsrat gefordert, wir müßten thematisch mehr in die Breite gehen. Und da mußte einer nach dem anderen gehen. Das war natürlich auch eine vernünftige Entscheidung. Wenn ich ein Physikstudium mache, will ich nicht nur Plasmaphysik hören. Deshalb repräsentiert das Institut neben der Plasmaforschung inzwischen auch die Gebiete Atom- und Festkörperphysik, Umweltwissenschaft, die Oberflächenphysik, die kondensierte Materieforschung sowie Quantentheorie. Femtosekunden-Laserspektroskopie an Oberflächen ist meines Erachtens auch ein sehr attraktives, wenn auch sehr spezielles Gebiet. Doch die meisten Studienanfänger wissen nicht, was sie eigentlich erwartet und ob sie für sich das richtige Fach ausgewählt haben. Viele springen nach einem Monat Physik ab und sagen, "so viel Mathematik hatte ich mir dann doch nicht vorgestellt".

Man sollte sich vorher einen Überblick verschaffen, was auf einen zukommt. Natürlich kann man sich auf Webseiten informieren, aber auch dort werden oft nur schöne Effekte dargestellt oder man hat in Talkshows oder in Wissenschaftssendungen von interessanten Experimenten gehört, in denen eindrucksvolle Phänomene dargestellt werden, und das finden dann viele spannend. Aber das hat noch nichts mit Physik zu tun.

SB: Vielleicht sollte man sich die Publikationsliste von einem Professor ansehen. Dann könnte man schon mal einen Eindruck gewinnen.

JM: Aber macht das denn ein Abiturient, der einen Studienplatz sucht? Die wenigsten werden sich im Vorfeld so genau informieren. Ich persönlich habe auch nur deshalb Physik studiert, weil wir im letzten Abiturjahr einen neuen Mathematik- und Physiklehrer bekamen, der uns als Absolvent von der Materie so begeistert hat, daß ich davon überzeugt war, Physik ist das richtige für mich, und diese Entscheidung habe ich nicht bereut.

Leider gibt es an der Universität Greifswald in der Physik keine Lehramtsausbildung mehr, die aufgrund von Sparmaßnahmen nach Rostock verlegt wurde. Früher gab es hier eine Didaktik und darüber natürlich auch mehr Kontakte zu den Gymnasien in der Region. Inzwischen gibt es wieder Kontakte zu den Schulen, weil wir sogenannte Begegnungsstudien oder Juniorstudien für Schüler anbieten. [9] Die werden jeweils gemeinsam mit den Schulen organisiert. Die Praktikanten kommen einmal in der Woche, erhalten dafür auch eine Benotung für das Zeugnis und noch dazu einen guten Eindruck davon, was einen Physiker hier erwartet.

Darüber hinaus veranstalten wir seit drei Jahren mit sehr guter Resonanz eine Freizeit für Jungen und Mädchen aus Mecklemburg-Vorpommern, die 'Tage der Physik'. Wir wollten keinen 'Girls Day' machen wie andere Universitäten, sondern etwas für alle. Dafür stehen paritätisch 30 Plätze zur Verfügung, die Schüler werden in einer Jugendherberge untergebracht und dann in einem Rahmenprogramm und mit kleinen Experimenten an die Physik herangebracht. Dieses Jahr wird ein einfaches Mikroskop aus einer Glaskugel gebaut werden. Am letzten Tag werden dann alle Modelle öffentlich vorgeführt. Das kommt sehr gut an.

SB: Vielen Dank, Herr Prof. Meichsner, daß Sie sich so viel Zeit für uns genommen haben.


Anmerkungen:


[1] Floatende Proben oder Oberflächen sind nicht geerdet und isoliert in das Plasma eingebracht, d.h. es besteht keine Verbindung, auf der Ladung oder Strom aus dem Plasma abgeführt werden könnte. Floatende Proben können eine Sonde, aber sogar Elektroden oder eine Wand sein, wenn sie diese Bedingungen erfüllen.
http://reaktiveplasmen.rub.de/files/skripten/skriptPP.pdf

[2] Siliciumtetrafluorid SiF4 ist ein farbloses, giftiges, ätzend wirkendes unbrennbares Gas. In der Halbleiterindustrie entsteht Siliciumtetrafluorid beim Entfernen von Siliciumdioxid-Schichten auf Wafern mittels Flußsäure (konzentrierte Fluorwasserstoffsäure HF).

[3] Das Sputtern (von englisch to sputter = zerstäuben), auch Kathodenzerstäubung genannt, ist ein physikalischer Vorgang, bei dem Atome aus einem Festkörper (Target) durch Beschuß mit energiereichen Ionen (vorwiegend Edelgasionen) herausgelöst werden und in die Gasphase übergehen. - In Elektronenröhren und Gasentladungsröhren gehört Sputtern zu den unerwünschten, die Lebensdauer begrenzenden Effekten. Das Auftreffen von Ionen auf die Elektroden zieht diese in Mitleidenschaft. Erwünscht und angewendet wird dieser Effekt zur Präparation hochreiner Oberflächen, beispielsweise für die Analyse der chemischen Zusammensetzung von Oberflächen, z.B. für die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), zur Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) oder als Sputter-Ionenquelle für Teilchenbeschleuniger. - Große technische Bedeutung hat das Verfahren außerdem für die feinvakuumbasierte Beschichtungstechnik. Hier dient es zum Zerstäuben eines Materials, das sich anschließend auf einem Substrat niederschlägt und eine feste Schicht bildet.

[4] Plasmaanwendung zur Vernetzung bzw. zur Herstellung von festen Schichten aus Dimethylsiloxanen (Silikonöl) oder zur Oberflächenmodifizierung von festen Polymethylsiloxanschichten gehören zu den Forschungsaufgaben, denen sich die Wissenschaftler um Jürgen Meichsner u.a. widmen.

[5] Wenn man Dimethylsiloxan in der Mitte durchtrennt, entstehen theoretisch zwei Trimethylsilane. Das sind stabile tetraederförmige Moleküle mit einem Siliciumatom in der Mitte, das mit einem oder vier Methylgruppen verbunden sein kann. [4] Weitere Zerschlagungen führen zu Dimethyl- oder Monomethylsilan. Letzteres ist ein selbst entzündliches, ansonsten extrem leicht entzündbares, farbloses Gas (Flammpunkt kleiner als -30 °C) mit widerlichem Geruch. Es ist schwerer als Luft und bildet mit Luft explosive Gemische. Bei Erhitzung zersetzt es sich.

[6] Atmosphärendruckplasmen sind Niedertemperaturplasmen, die bei normalen Luftdruckverhältnissen erzeugt werden, weshalb die Geräte, die am INP entwickelt werden, vielfältig eingesetzt werden können.
http://www.inp-greifswald.de/web3.nsf/index?OpenPage&Eintrag=C551B411B9C3C8F0C12573C60050F5D6

[7] siehe auch: http://www.campus-plasmamed.de/index_ge.html

[8] Batchanlage, Batchbetrieb, Batchproduktion oder Chargenbetrieb sind diskontinuierliche Produktionsverfahren, bei denen ein Reaktor beschickt und dann wieder entleert wird, wenn das fertige Produkt (z.B. durch eine chemische Reaktion) erzeugt wurde. Batch bedeutet engl: eine Ofenbefüllung beim Backen.

[9] mehr dazu finden Sie hier:
http://www.uni-greifswald.de/studieren/studienangebot/juniorstudium.html


Zum Forschungsreaktor Wendelstein 7-X und der Pressereise nach Greifswald sind bisher, mit dem kategorischen Titel "Kernfusion und Plasmaforschung" versehen, im Pool NATURWISSENSCHAFTEN → REPORT erschienen:

BERICHT/001: Kernfusion und Plasmaforschung - Im Spannungsfeld der Vielversprechen ... (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrbe0001.html
BERICHT/002: Kernfusion und Plasmaforschung - Fortschritts- und Entwicklungsfragen ... (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrbe0002.html
BERICHT/003: Kernfusion und Plasmaforschung - Stromschaltungen nachhaltig ... (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrbe0003.html
INTERVIEW/001: Kernfusion und Plasmaforschung - hoffen, forschen, wünschen ...    Prof. Dr. Thomas Klinger im Gespräch (1) (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0001.html
INTERVIEW/002: Kernfusion und Plasmaforschung - hoffen, forschen, wünschen ...    Prof. Dr. Thomas Klinger im Gespräch (2) (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0002.html
INTERVIEW/003: Kernfusion und Plasmaforschung - Heiße Luft und ihre Ströme ...    Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann im Gespräch (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0003.html
INTERVIEW/004: Kernfusion und Plasmaforschung - alte Gefahren im neuen Gewand ...    Prof. Dr. Robert Wolf im Gespräch (SB)
http://schattenblick.com/infopool/natur/report/nrin0004.html
INTERVIEW/005: Kernfusion und Plasmaforschung - dem Fortschritt vertrauen ...    Jean Pütz im Gespräch (SB)
http://www.schattenblick.de/infopool/natur/report/nrin0005.html
INTERVIEW/006: Kernfusion und Plasmaforschung - Plasma fischen, Stäube wischen ...    Prof. Dr. André Melzer im Gespräch (SB)
http://www.schattenblick.de/infopool/natur/report/nrin0006.html
INTERVIEW/007: Kernfusion und Plasmaforschung - es fehlt nur die Genauigkeit ...    Prof. Dr. Jürgen Kolb im Gespräch (SB)
http://www.schattenblick.de/infopool/natur/report/nrin0007.html

29. September 2015


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