Von Franz Frisch

Halbleiterelemente können „sehen“, können Lichtsignale empfangen und auswerten. Das ist längst Stand der Technik. Nun dürften sie bald ein weiteres Sinnesorgan nachahmen: Elektronik-Chips werden verschiedene Chemikalien gleichsam riechen können, was für den Umweltschutz ebenso Bedeutung erlangen wird wie für die industrielle Prozeßtechnik. Der Stoff, der dies möglich macht, galt lange als ein Traum der Materialforscher: die chemische Verbindung anorganischer und organischer Substanzen in einem Werkstoff.

Im Zug des technischen Fortschritts der letzten Jahrzehnte entwickelten die Chemiker einerseits eine unübersehbare Palette verschiedenster Kunststoffe, die alle eines gemeinsam haben: Sie bestehen aus organischen Substanzen – Verbindungen des Kohlenstoffs, die auch die vielfältigen chemischen Bausteine der lebenden Natur bilden. Mit organischen Riesenmolekülen, sogenannten Polymeren, lassen sich praktisch beliebige molekulare Strukturen aufbauen. Deshalb können die Eigenschaften der Kunststoffe nahezu unbeschränkt variiert werden.

Auf der anderen Seite entwickelten die Materialforscher auch jene Werkstoffe weiter, die schon vor mehreren tausend Jahren wegen ihrer Festigkeit geschätzt wurden: Glas und Keramik. Kein Wunder, daß sich angesichts der zunehmend komplexen und speziellen technischen Anforderungen der Wunsch verstärkte, Werkstoffe zu schaffen, die zum Beispiel die Festigkeit des anorganischen Glases mit den vielfältig wandelbaren Eigenschaften organischer Kunststoffe verbinden.

Mit einem neuen Verfahren, mit dem sich Gläser und Keramiken im Vergleich zu den traditionellen Schmelz- und Sinterprozessen bei erheblich reduzierten Temperaturen herstellen lassen, sind solche Werkstoffe nun erstmals möglich. Bei diesem sogenannten Sol-Gel-Prozeß werden die verschiedenen Ausgangsstoffe für den Werkstoff nicht wie bei den herkömmlichen Verfahren erst bei hohen Temperaturen verflüssigt und in der Schmelze vermischt, sondern von vornherein in eine flüssige Form gebracht. Dabei handelt es sich entweder um eine echte chemische Lösung, die in eine kolloidale Lösung – im Fachjargon: ein Sol – übergeht, oder direkt um ein Sol (kolloidale Lösungen bestehen aus Flüssigkeiten, die mikroskopisch fein verteilte Substanzen enthalten).

Entscheidend ist nun, daß die verschiedenen Moleküle in diesem Sol Polymerstrukturen bilden, die zur Basis des späteren Werkstoffs werden. Die Flüssigkeit verfestigt sich, es entsteht ein Gel. Die weitere Reaktion zum endgültigen Werkstoff erfolgt zwar auch durch einen thermischen Prozeß, jedoch bei relativ niedrigen Temperaturen.

Wissenschaftler in aller Welt konzentrieren sich heute auf den Sol-Gel-Prozeß, denn mit ihm lassen sich außerordentlich reine und homogene Gläser und keramische Werkstoffe mit genau vorgegebenen Kristallstrukturen produzieren. Erste, freilich noch rein anorganische Ergebnisse der Sol-Gel-Forscher sind bereits auf dem Markt: So erzeugt die amerikanische 3M-Company ein neues Schleifmittel, das fast zehnmal solange hält wie bisherige Materialien. Mitsubishi in Japan hat mit Hilfe des Sol-Gel-Prozesses ein neues Leiterplatten-Material für die Elektronik entwickelt. Und in der Bundesrepublik beschichtet die Firma Schott seit Jahren Flachglasscheiben für wärmedämmende Fenster.