Forscher schaffen die wasserabweisendste Oberfläche aller Zeiten
Überarbeitete Methode zur Herstellung hydrophober Oberflächen hat Auswirkungen auf alle Technologien, bei denen Wasser auf eine feste Oberfläche trifft
Forscher haben einen neuen Mechanismus entwickelt, der Wassertropfen von Oberflächen abrutschen lässt, wie in einem in Nature Chemistry veröffentlichten Artikel beschrieben wird. Die Entdeckung stellt bestehende Vorstellungen über die Reibung zwischen festen Oberflächen und Wasser in Frage und eröffnet einen neuen Weg zur Untersuchung der Gleitfähigkeit von Tröpfchen auf molekularer Ebene. Die neue Technik kann in einer Reihe von Bereichen eingesetzt werden, z. B. im Sanitärbereich, in der Optik und in der Automobil- und Schifffahrtsindustrie.
Eine künstlerische Darstellung der flüssigkeitsähnlichen Molekülschicht, die Wassertropfen abweist.
Ekaterina Osmekhina/Aalto University
Überall um uns herum steht Wasser in ständiger Wechselwirkung mit festen Oberflächen. Beim Kochen, im Transportwesen, in der Optik und bei Hunderten von anderen Technologien spielt es eine Rolle, wie Wasser an Oberflächen haftet oder von ihnen abgleitet. Das Verständnis der molekularen Dynamik dieser mikroskopisch kleinen Tröpfchen hilft Wissenschaftlern und Ingenieuren, Wege zur Verbesserung vieler Haushalts- und Industrietechnologien zu finden.
Flüssigkeitsähnliche Oberflächen sind eine neue Art von tröpfchenabweisenden Oberflächen, die viele technische Vorteile gegenüber herkömmlichen Ansätzen bieten - ein Thema, das kürzlich von Robin Ras, Professor an der Aalto-Universität, in Nature Reviews Chemistry behandelt wurde. Sie verfügen über molekulare Schichten, die hochgradig beweglich, aber kovalent an das Substrat gebunden sind und festen Oberflächen eine flüssigkeitsähnliche Qualität verleihen, die wie eine Schmierschicht zwischen den Wassertropfen und der Oberfläche selbst wirkt. Ein Forscherteam unter der Leitung von Ras verwendete einen speziell entwickelten Reaktor, um auf einer Siliziumoberfläche eine flüssigkeitsähnliche Schicht aus Molekülen, die so genannten selbstorganisierten Monoschichten (SAMs), zu erzeugen.
Selbstorganisierte Monoschichten beim Wachsen beobachten
"Unsere Arbeit ist das erste Mal, dass jemand direkt auf die Nanometerebene gegangen ist, um molekular heterogene Oberflächen zu erzeugen", sagt der Doktorand Sakari Lepikko, Hauptautor der Studie.
Durch die sorgfältige Anpassung von Bedingungen wie Temperatur und Wassergehalt im Reaktor konnte das Team genau festlegen, wie viel der Siliziumoberfläche von der Monoschicht bedeckt wurde.
"Ich finde es sehr aufregend, dass wir durch die Integration des Reaktors mit einem Ellipsometer das Wachstum der selbstorganisierten Monoschichten mit einem außergewöhnlichen Detailgrad beobachten können", sagt Ras.
"Die Ergebnisse zeigten eine größere Gleitfähigkeit, wenn die SAM-Bedeckung niedrig oder hoch war, was auch die Situationen sind, in denen die Oberfläche am homogensten ist. Bei geringer Bedeckung ist die Siliziumoberfläche die vorherrschende Komponente, bei hoher Bedeckung sind die SAMs die vorherrschende Komponente".
"Es war widersinnig, dass selbst eine geringe Bedeckung zu einer außergewöhnlichen Gleitfähigkeit führte", fährt Lepikko fort.
Bei geringer Bedeckung bildet das Wasser einen Film auf der Oberfläche, von dem man annahm, dass er die Reibung erhöht. Wir haben festgestellt, dass das Wasser bei geringer SAM-Bedeckung frei zwischen den Molekülen des SAM fließt und von der Oberfläche abrutscht. Bei einer hohen SAM-Bedeckung bleibt das Wasser oben auf dem SAM und gleitet genauso leicht ab. Nur zwischen diesen beiden Zuständen haftet das Wasser an den SAMs und bleibt auf der Oberfläche haften."
Die neue Methode erwies sich als außerordentlich effektiv, denn das Team schuf die rutschigste Flüssigkeitsoberfläche der Welt.
Beschlagfrei, enteisend, selbstreinigend
Die Entdeckung dürfte überall dort von Bedeutung sein, wo tropfenabweisende Oberflächen benötigt werden. Laut Lepikko umfasst dies Hunderte von Beispielen aus dem täglichen Leben bis hin zu industriellen Lösungen.
"Dinge wie Wärmeübertragung in Rohren, Enteisung und Anti-Beschlag sind mögliche Anwendungen. Auch in der Mikrofluidik, wo winzige Tröpfchen reibungslos bewegt werden müssen, und bei der Schaffung selbstreinigender Oberflächen wird es helfen. Unser kontraintuitiver Mechanismus ist ein neuer Weg, um die Mobilität von Tröpfchen überall dort zu erhöhen, wo sie gebraucht wird", sagt Lepikko.
Als Nächstes plant das Team, weiter mit dem Aufbau der selbstorganisierenden Monoschicht zu experimentieren und die Schicht selbst zu verbessern. Lepikko ist besonders begeistert von den Informationen, die diese Arbeit für zukünftige Innovationen liefert.
Das Hauptproblem bei einer SAM-Schicht ist, dass sie sehr dünn ist und sich daher nach dem physischen Kontakt leicht auflöst. Ihre Untersuchung liefert uns jedoch grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse, die wir für die Entwicklung dauerhafter praktischer Anwendungen nutzen können.
Die Forschungsarbeiten, bei denen die nationale Forschungsinfrastruktur OtaNano zum Einsatz kam, wurden von der Gruppe "Soft Matter and Wetting" (Weiche Materie und Benetzung) am Institut für angewandte Physik durchgeführt, die auch andere bahnbrechende wasserabweisende Materialien entwickelt hat.
Auch Forscher der Universität Jyväskylä haben zu dieser Studie beigetragen.
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