Künstlicher Lotus-Effekt
Kohlenstoffnanoröhrchen mit nanoskopischer Paraffinbeschichtung sorgen für superhydrophobe, selbstreinigende Oberflächen
Nie mehr Auto waschen? Nie mehr Fenster putzen? Durchaus denkbar, wenn es denn gelingen sollte, geeignete Beschichtungen herzustellen, die den Selbstreinigungseffekt der Lotusblume imitieren. Ein Forscherteam um Ayyappanpillai Ajayaghosh vom National Institute for Interdisciplinary Science and Technology (Trivandrum, Indien) ist diesem Ziel einen guten Schritt näher gekommen. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, gelang ihnen die Herstellung einer superhydrophoben, selbstreinigenden Oberfläche. Erfolgsgeheimnis sind Kohlenstoffnanoröhrchen mit einer nanometerdicken Paraffinbeschichtung. Starre aromatische para-Phenylenvinylen-Moleküle knüpfen die Schicht an die Röhrchen.
Die Lotuspflanze ist Namensgeberin für einen natürlichen Selbstreinigungsmechanismus: Die extrem wasserabweisende (superhydrophobe) Oberfläche ihrer Blätter sorgt dafür, dass Wassertropfen runde Kugeln bilden, die vom Blatt abrollen und dabei den Schmutz regelrecht abwaschen. Das Lotusblatt ist mit 3 bis 10 µm großen "Noppen" versehen, die ihrerseits mit einer nanoskopischen wasserabweisenden wachsartigen Schicht überzogen sind. Die Noppenstruktur minimiert die Oberfläche, mit der das Wasser in Kontakt kommen kann, und die wasserabweisende Schicht verhindert, dass Wasser in die Vertiefungen zwischen den Noppen eindringen kann. Das Wasser kann das Blatt nicht benetzen und rollt einfach ab.
Die Forscher gingen von Kohlenstoffnanoröhrchen aus, langen Hohlfasern aus wabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen. In einem Selbstorganisationsprozess lagerten sie organische Moleküle an die Außenseite der Röhrchen an. Diese bestehen aus einem kurzen Rückgrat aus aromatischen Kohlenstoffsechsringen, das mehrere lange Kohlenwasserstoffketten trägt. Während sich die Sechsringe fest an das Wabengitter der Röhrchen anlagern, wirken die Kohlenwasserstoffketten wie eine paraffinartige Umhüllung. Eine Dispersion dieser Addukte trugen die Wissenschaftler auf Glas, Metall und Glimmer auf. Nach dem Trocknen hatte sich eine wasserabweisende Beschichtung mit stabilen Selbstreinigungseigenschaften ausgebildet.
Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass die Beschichtung zwar nicht regelmäßig strukturiert ist wie die Lotusblätter, aber eine vergleichbare Nano-Rauhigkeit aufweist. Wasser kann diese künstliche Oberfläche genauso schlecht benetzen wie das Lotusblatt. Bereits ein Neigungswinkel von 2° reicht aus, um Wassertröpfchen abrollen zu lassen. Wie beim Lotus wird dabei Staub von der Oberfläche abgewaschen.
Originalveröffentlichung: Ayyappanpillai Ajayaghosh et al.;"Bioinspired Superhydrophobic Coatings of Carbon Nanotubes and Linear Systems Based on the "Bottom-up" Self-Assembly Approach"; Angewandte Chemie 2008, 120, No. 31, 5834-5838.
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