Molekulare Architektur epikutikularer Wachskristalle und die Generierung biomimetischer Oberflächen zur Analyse von Grenzflächeninteraktionen in mikro- und nanoskaligen Dimensionen

Abstract

Die Ziele dieser Arbeit waren die Gewinnung neuer oder die Bestätigung bzw. Widerlegung bekannter Ergebnisse im Forschungsbereich epikutikularer Wachsstrukturen. In drei aufeinander aufbauenden und verknüpften Schwerpunkten wurde dabei der Fokus auf die Chemie, die Rekristallisation unter Einfluss verschiedener Parameter und die Stabilität der Wachsstrukturen gegenüber Tensiden gelegt. Die gewonnenen Daten können für die Herstellung von standardisierten Oberflächen (Lab-on-a-Chip) zur Untersuchung von Wachs-Tensid-Interaktionen, wie sie in der Landwirtschaft (Stichwort Pflanzenschutz) vorkommen, genutzt werden.<br /> Die Fragestellung nach der chemischen Zusammensetzung der ausgewählten Wachse mit dem Schwerpunkt Wachsschuppen und Wachsröhrchen wurde durch die GC/MS-Methode beantwortet. Es zeigte sich, dass epikutikulare Wachse aus linearen, aliphatischen Molekülen mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen bestehen. Neben der Chemie wurde auch die Fragestellung nach der Kristallinität der Wachse mittels Röntgenbeugungsexperimenten beantwortet. Es konnte bestätigt werden, dass epikutikulare Wachse, seien es Filme, Röhrchen oder Schuppen, kristallin sind.<br /> Nach der Klärung des chemischen Aufbaus der Wachse wurden Rekristallisationsexperimente mit Röhrchen- (Tropaeolum majus L.) und Schuppenwachsen (Octacosanol und Hentriacontan-16-on als Einzelkomponenten und Allium porrum L.-Wachs als Wachsgemisch) erfolgreich durchgeführt. Die gewachsenen Strukturen wurden mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) sichtbar gemacht. Die Variation der Parameter Temperatur, Lösungsmittel und Substrat während der Rekristallisation von Schuppen zeigte unterschiedliche Auswirkungen. Mit Temperaturen von 50°C statt 25°C wurden Geschwindigkeit und Schuppengröße positiv beeinflusst. Bei Rekristallisation geringer Wachsmengen Octacosanol (Konzentration: 15 mg/ml Chloroform) auf mit Oxid bedecktem Silizium konnte durch die Bildung von flachliegenden Rauten und auf HOPG durch die hexagonale Anordnung der Schuppen mittels AFM ein Substrateinfluss nachgewiesen werden. Höhere Wachsmengen überdecken diesen Effekt, indem zuerst eine Wachsunterlage gebildet wird, auf der Wachsschuppen senkrecht zur Ebene aufwachsen. Auch Experimente zur Optimierung der Rekristallisation von Wachsröhrchen aus Tropaeolum majus-Wachs verliefen erfolgreich. Der Einfluss von Wasser- und Ethanoldampf zeigte unterschiedliche Ergebnisse. Während Wasser die Rekristallisation der Röhrchen nur gering beeinflusste, wirkte Ethanol nicht nur stark beschleunigend auf die Selbstorganisation, sondern ermöglichte sie schon bei Temperaturen unterhalb von 40°C. Experimente, bei denen nur der Faktor Temperatur variiert wurde, zeigten, dass mindestens 40°C nötig waren, um die notwendige Energie zur Diffusion der Moleküle aufzubringen. Aus der Anzahl der Röhrchen, die nach 1, 3 und 7 Tagen bei Temperaturen von 40, 45 und 50°C entstanden waren, konnten diese Energien zu 400 bis 440 kJ/mol bestimmt werden.<br /> Neben der mikroskopischen Auswertung der Strukturen wurden auch Benetzungsexperimente mit Wasser auf den Oberflächen durchgeführt. Es wurde dabei gezeigt, dass die generierten Wachsoberflächen trotz fehlender Doppelstrukturierung der Pflanzenoberflächen ähnliche hydrophobe Benetzungseigenschaften besitzen wie Lotus (Nelumbo nucifera). Ein genereller wichtiger Befund der Untersuchungen ist, dass die generierten Oberflächen, seien es Schuppen- oder Röhrchenstrukturen, gleiche Benetzungseigenschaften wie natürliche Blattoberflächen aufweisen. Damit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass die Entwicklung von Testflächen für weitere Applikationsexperimente ("Lab-on-a-Chip"') möglich ist. In der vorliegenden Arbeit haben sie sich zur Klärung der Stabilität der Wachsstrukturen gegenüber Tensiden bewährt. Während die Änderung der Benetzbarkeit durch die Tenside erwartet werden konnte, war es überraschend, dass die Tenside die Wachsstrukturen nur maskierten, aufrechte Strukturen "umkippten", aber nicht auflösten.