Strukturierte und chemisch funktionalisierte Oberflächen sind für zahlreiche technische und medizinische Anwendungen von wachsendem Interesse. So stellt die Entwicklung innovativer chemischer oder physikalischer Verfahren zur gezielten Optimierung von Oberflächeneigenschaften, darunter Reibung und Verschleiß, Korrosion sowie Biokompatibilität, eine zentrale Herausforderung der heutigen Forschung dar.

Zukunftsorientierte Forschung und Entwicklung im Bereich der Oberflächenfunktionalisierung ist daher entscheidend, um produktivere und kostengünstigere Fertigungsmethoden zu realisieren. Diese ermöglichen es, bestehende Produkte zu optimieren und deren Gestaltungsspielräume grundlegend neu zu denken. In diesem Zusammenhang hat die Terminologie der biomimetischen Oberflächenfunktionalisierung in den vergangenen Jahren deutlich an Attraktivität gewonnen. Die zugrunde liegende Idee besteht darin, Vorbilder aus der Natur nachzuahmen, deren Oberflächen über Millionen Jahre der Evolution optimiert wurden. Auf diese Weise erweist sich die Natur als höchst effektiver Technologe, der Überlebensanforderungen mithilfe von Bottom-up-Strukturierungsansätzen in Kombination mit angepasster Oberflächenchemie meistert.

Bereits heute steht eine Vielzahl von Verfahren zur Funktionalisierung von Oberflächen zur Verfügung. So kann die Oberflächenchemie technologisch relevanter Materialien gezielt gesteuert werden, indem ausgewählte Elemente oder funktionelle Gruppen in die Substratoberfläche integriert werden. Vergleichbare Effekte, einschließlich neuartiger Designmöglichkeiten, lassen sich durch das Aufbringen von Beschichtungen erzielen, die beispielsweise mithilfe von Hybridverfahren hergestellt werden. Dazu zählt die Abscheidung innovativer Beschichtungen oder komplexer Beschichtungssysteme auf nahezu allen Substratmaterialien, einschließlich Metallen, Keramiken, Polymeren und Verbundwerkstoffen. Durch den Einsatz von Nanoschichten, Nanokompositen oder dotierten Schichten lassen sich diese Beschichtungen zusätzlich hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit optimieren.

Für die gezielte Gestaltung der Oberflächentopographie stehen heute verschiedene technologische Verfahren zur Verfügung, mit denen sich Strukturen mit einer Auflösung bis in den Nanometerbereich erzeugen lassen. Solche Topographien werden unter anderem mithilfe laserbasierter Fertigungsmethoden hergestellt. In Kombination mit neuen, innovativen Laserquellen werden in den kommenden Jahren Durchsätze von mehr als 1 bis 5 m² pro Minute erwartet. Die Modifikation der Oberflächentopographie ist jedoch keineswegs auf Laserverfahren beschränkt, sondern kann ebenso durch chemisches Ätzen, Mikrobearbeitung, Sandstrahlen und weitere Verfahren erfolgen.

In jüngerer Zeit hat sich zudem gezeigt, dass durch die Erzeugung von Oberflächenstrukturen mit Merkmalen unterschiedlicher Größenskalen, beispielsweise Mikrostrukturen mit überlagerten Nanomustern, multifunktionale Oberflächen realisiert werden können. Dieses Forschungsfeld bietet ein hohes Entwicklungspotenzial und wird voraussichtlich zu innovativen Lösungen für eine Vielzahl bislang ungelöster technologischer Herausforderungen führen.

Zusammenfassend zeigen die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Oberflächentechnik bereits heute das Potenzial innovativer Produkte mit herausragenden Eigenschaften. Ich hoffe, dass Sie das spezielle Thema der Oberflächenfunktionalisierung ebenso begeistern wird und Sie einen fundierten Einblick in neue, interessante und technologisch anspruchsvolle Entwicklungen gewinnen.

Viel Vergnügen bei der Lektüre wünscht Ihnen

Prof. Dr.-Ing. Andrés Lasagni
Technische Universität Dresden
Institut für Fertigungstechnik