Untersuchungen zum Adsorptionsverhalten molekularer Filme epikutikularer Wachse auf artifiziellen Oberflächen

Abstract

Natürliche Blattoberflächen weisen vielfach kristalline Strukturen von Wachsen bzw. Wachsgemischen auf. Diese Schichten bestimmen maßgeblich die physikochemischen Eigenschaften dieser biologischen Oberflächen z.B die Hydrophobizität (Selbstreinigung). Das Kristallisationsverhalten nativer Wachsgemische und der Reinkomponenten wurde auf unterschiedlichen artifiziellen Modellsubstraten HOPG, Mica und oxidiertem Silizium mit Hilfe verschiedener Rastersondentechniken von der Monolage bis zum 3D-Kristall untersucht. Bei der untersuchten Reinkomponente handelt es sich um Octacosan-1-ol, Hauptbestandteil (60 m%) des epikutikularen Wachsgemischs auf „Triticum aestivum“ (Weizen). Im Vergleich der einzelnen Modellsubstrate zeigte sich nur auf HOPG ein epitaktisches Wachstum und die beobachteten kristallinen Strukturen gleichen denen auf natürlichen Blattoberflächen. <br /> Um diesen Wachstumsprozess und die Musterbildung verstehen zu können, müssen verschiedene Faktoren beachtet werden. Im Falle des Octacosan-1-ols ist der Einfluss der funktionellen Gruppe (Wasserstoffbrückenbindung) maßgeblich an der Stabilisierung der Strukturen beteiligt. Daher wurden in weiteren Experimenten anders funktionalisierte Moleküle eingesetzt, deren Kohlenstoffrückgrad dem des Octacosan-1-ols entsprechen. Dies waren Octacosan und Octacosansäure. Es zeigte sich, dass die Diffusionsgeschwindigkeiten der einzelnen Moleküle auf den jeweiligen Substraten entsprechend der funktionellen Gruppe beschleunigt (Octacosan) oder verlangsamt waren. Dies ist auf Dimerbildung des Alkohols und der Carbonsäure zurückzuführen, wobei die Wasserstoffbrückenbindung der Carbonsäure das Dimer (hin bis zur Micellenbildung) stärker stabilisiert als im Falle des Alkohols. <br /> Ein weiterer Faktor, das Verständnis zum Wachstumsprozess von Octacosan-1ol zu erweitern, ist auch der Einfluss der Kettenlänge des Moleküls auf die Diffusion. Daher wurde mit Triaconta-1-ol ein zusätzlicher primärer Alkohol untersucht, der im Vergleich zum Octacosan-1-ol im Experiment nicht diese hohen Diffusionsgeschwindigkeiten zeigte. <br /> Wachse sind bei Raumtemperatur fest. Um die oben beschriebenen Experimente unter Atmosphärenbedingungen durchführen zu können, wurden die einzelnen Komponenten in Chloroform gelöst. Aber auch das Lösungsmittel hat einen Einfluss auf den Kristall-wachstumsprozess auf molekularer Ebene. Durch eine Variation des polaren/apolaren bzw. protisch/aprotischen Charakters des Lösungsmittels (Wasser, Ethanol, Phenylheptan) konnten Musterbildung und Kristallwachstum initiiert oder gehemmt werden.<br /> Als ein weiterer wichtiger Aspekt zum Verständnis der Kristallwachstumsprozesse auf der pflanzlichen Kutikula ist die Struktur der Kutikula selbst. Bislang ist die Zusammensetzung geklärt (bio-Polyester), aber nicht die molekulare Struktur des dreidimensionalen Netzwerkes. Als Modellsysteme zur Simulation der pflanzlichen Kutikula konnten Polymerfolien (PA6, PC, iPP) unterschiedlicher Polarität bzw. Kristallinität eingesetzt werden. <br /> Als ein Ergebnis dieser Arbeiten kann genannt werden, dass alle bis hierher aufgezeigten Faktoren den Wachstumsprozess wachsartiger Substanzen auf artifiziellen Oberflächen auf unterschiedliche Art und Weise beeinflussen können, doch nur zwei Systeme ähneln dem natürlichen Vorbild, Octacosan-1-ol auf HOPG und auf iPP-Folie. Die hydrophobe Oberfläche des HOPG und der iPP-Folie zwingt die Alkohol Moleküle in eine liegende Anordnung und ermöglicht dadurch ein epitaktisches Wachstum der Moleküle auf dem Substrat.