Forschungsschwerpunkt "Laser- und Plasmatechnologie"

Die Plasmatechnologie, die zunehmend als eine Schlüsseltechnologie u.a. für die moderne Oberflächenmodifikation betrachtet wird, ist durch ihre vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten unter Atmosphärendruck für die Kombination mit anderen Technologien geeignet.

Besonders in der Kombination mit Laserverfahren können Materialen punktgenau und homogen modifiziert werden. Dabei können die Verfahren seriell oder simultan kombiniert werden. Die Laser-Plasma-Hybridtechnologie arbeitet auf einem übergreifenden, innovativen Feld, durch das zahlreiche neue Arbeitsgebiete erschlossen werden können:

• Hochionisierte Plasmen
• Hybrid-Prozesse
• Selbstreinigende Oberflächen
• Simulation von Plasmen
• Intelligente Oberflächen
• Plasmasterilisation
• Hydrophobe/Hydrophile Oberflächen
• Strahlungserzeugung (VUV/EUV/XUV-Strahlung)
• Biofunktionelle/Antimikrobielle Oberflächen
• Atmosphärische Plasmen
• Laser-Plasma-Hybrid Materialbearbeitung
• Plasma-Sensorik
• Spezifische Laser- und/oder Plasmaquellenentwicklung

Durch das interdisziplinäre Zusammenwirken der Plasmatechnologie und der Lasertechnologie mit der Biologie, Medizin, Chemie und Physik (insbesondere der Photonik) wird an wissenschaftlichem Neuland geforscht,  aus dem Produkte für die verschiedensten Anwendungsgebiete entwickelt werden können.

Oberflächenmodifizierung von Holz und Holzwerkstoffen mit Atmosphärendruckplasmen

Plasmaanwendungen gehören seit vielen Jahren in einigen Industriezweigen wie der Metall- und Kunststoffindustrie zum Stand der Technik. An der HAWK werden diese Verfahren ständig weiterentwickelt und für zusätzliche Industriezweige erweitert. So wird z.B. die Plasmabehandlung von Holz und Holzwerkstoffen unter Atmosphärendruck bis zur Marktreife entwickelt.

Bei konventionellen Verfahren werden Holz und Holzwerkstoffe vor der Weiterverarbeitung, wie Verkleben, Lackieren etc., häufig einer Vorbehandlung, z. B. Beschichtung mit Haftvermittlern (Primer) oder Schleifen unterzogen, um die Hafteigenschaften ihrer Oberflächen zu verbessern. In der Kunststoff- und Drucktechnik werden solche Probleme schon seit Jahren mit Hilfe der Plasmatechnik gelöst. So werden beispielsweise Kunststofffolien plasmabehandelt, aus denen handelsübliche Plastiktüten produziert werden, um das Bedrucken dieser Folien überhaupt erst zu ermöglichen.

Durch die Forschung ist es gelungen, diesen Prozess auf Holz und Holzwerkstoffe zu übertragen. Technische Probleme hierbei stellen die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften sowie die wesentlich dickeren Materialstärken dieser Werkstoffe dar. 
Im Gegensatz zu den wenige hundert Mikrometern dicken Kunststofffolien müssen hier Materialstärken von bis zu 3-4 cm wirksam unter Atmosphärendruck behandelt werden. Der Ausgangspunkt dafür ist die dielektrisch behinderte Entladung unter Atmosphärendruck. Dazu wird das Werkstück durch eine Plasmazone geführt, die zwischen elektrisch isolierten Hochspannungselektroden bei ca. 30 kV gebildet wird.

Durch diese Plasmabehandlung werden, vergleichbar mit konventionellen Behandlungsmethoden, die Oberflächenenergien von Holz und Holzwerkstoffen wesentlich erhöht. Diese erhöhte Oberflächenenergie führt zu verbesserter Haftung bei Klebe- und Beschichtungsprozessen dieser Oberflächen. Des Weiteren ist es mit diesem Verfahren möglich die Tränkbarkeit von Holzfurnieren für Imprägnationsmitteln oder anderen Modifikationsreagenzien signifikant zu erhöhen.

Die wichtigsten Forschungsresultate zu diesem Thema wurden in diversen wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht (Publikationsliste). Diese Technologie ist ein wirtschaftliches, umweltfreundliches und leicht in bestehende Produktionsabläufe implementierbares Verfahren, das sowohl für die Groß- als auch Kleinserienfertigung eingesetzt werden kann.

Sonderangefertigte Plasmastrahlungsquellen

Für intensive Strahlungsquellen, die im Spektralbereich des Vakuumultraviolett (VUV, 40 - 200 nm) über das extreme Ultraviolett (EUV, 2 - 40 nm) bis in den Bereich der weichen Röntgenstrahlung (SXR, 0,2 - 2 nm) emittieren, besteht in Forschung und Industrie ein hoher Bedarf, der in der Zukunft noch deutlich wachsen wird. Allein in der Röntgenmikroskopie sind zahlreiche Anwendungen möglich. Im Fokus der Entwickler*innen stehen momentan die Erschließung neuartiger Anwendungsfelder, die sich die besonderen Eigenschaften der Strahlung bei kurzen Wellenlängen zunutze machen, sowie die Weiterentwicklung etablierter Strahlungsquellen und optischer Technologien für den Zugang zu neuen räumlichen und zeitlichen Dimensionen.

Die Vision einer breit einsetzbaren optischen Basistechnologie für die Mikro- und Nanowelten des 21. Jahrhunderts setzt entsprechende Strahlungsquellen voraus, die heute nur mit großem Aufwand und mit begrenzter Parameterbreite hergestellt werden können. Hier wird ein akutes Defizit, aber auch ein gewaltiges Potential der Optischen Technologien in ihrem Anspruch als zukunftsweisende Schlüsseltechnologie deutlich.

EUV- und Röntgentechnologien finden bereits heute sehr häufig Anwendung in der Mikro- und Nanostrukturierung und in der Strukturanalyse, beispielsweise bei der Detektion von Mikro- und Nanodefekten. Ein weiteres Applikationsbeispiel stellt hierbei die Röntgenmikroskopie dar. Sie ermöglicht die Beobachtung biologischer Strukturen in ihrer natürlichen Umgebung (Wasser) mit weit höherer Auflösung als mit herkömmlichen Lichtmikroskopen. Dazu wird Strahlung im Bereich des Wasserfensters, einem Teilbereich des EUV mit Wellenlängen von 2,33 - 4,36 nm, verwendet. Einen elementaren Teil der Forschungsaktivitäten bildet das wissenschaftliche Studium der Wechselwirkung von Laserstrahlung und elektrisch erzeugten Plasmen. Die daraus gewonnenen fundamentalen Ergebnisse werden zur Anpassung der Plasmaparameter an die spezifische Anwendung genutzt.

Die Forschergruppe im Labor für Laser- und Plasmatechnologie verfügt über langjährige Erfahrung im Einsatz von Atmosphärendruckplasmen an thermolabilen Materialien wie Holz oder Kunststoffen. Auf dieser Expertise bauten die FuE-Aktivitäten für Plasmaapplikationen im humanmedizinischen Bereich auf. Mittlerweile ist die Forscher*innengruppe eingebettet in einen leistungsstarken Verbund aus naturwissenschaftlichen, medizinischen und industriellen Partner*innen und erforscht auf Basis physikalischer/chemischer Messprinzipien und Modellrechnungen sowohl die Risikopotentiale als auch potente Wirkmechanismen der Plasmabehandlung für den medizinisch-therapeutischen Einsatz.

Wichtige Erkenntnisse umfassen bislang

• den Einfluss der Behandlung auf die Hautphysiologie 
• die ausgeprägte mikrobizide Wirkung des Plasmas
• die Behandlung menschlicher Hautzellen mit Niedertemperaturplasma 
• Auf Basis dieser Wirkungen und der leicht zu realisierenden Anwendung des Plasmas bildet die Dermatologie einen vielversprechenden Bereich für zukünftige Applikationen. Die weltweit ersten randomisierten klinischen Studien zur plasmaunterstützten Wundheilung der Haut wurden im Klinikum Schwabing (München) und der Universitätsmedizin Göttingen initiiert und sind derzeit noch nicht abgeschlossen.

Mittlerweile haben sich die Forschungsaktivitäten der HAWK in diesem Sektor aufgefächert. So umfassen aktuelle Projekte neben Studien im dermatologischen Bereich auch zellbiologische Fragestellungen zur Wirkstofftransfektion sowie Applikationen aus der Hygiene, wie z.B. die Bekämpfung von Parasiten:

• Grundlegende Untersuchungen zur Wirkung von Plasma auf kutane Lipidsysteme - DFG
• Campus PlasmaMed, 2. Förderphase - BMBF
• Plasmaunterstützte Wirkstoffaufnahme in organischen Zellen - EFRE
• Plasmabehandlung zum Abtöten von Parasiten an filamentösem Gut - BMWi