Super hydrophobes Material 30.01.2015

Der Lotus gilt als Symbol der Reinheit: In schmutzigem Sumpfwasser wachsen atemberaubend schöne und reinste Blumen. Es scheint, dass was zwischen dem Symbol der Reinheit und der Physik gemeinsam sein kann? Es stellt sich heraus, dass es eine Gemeinsamkeit gibt, die als wissenschaftlicher Begriff bezeichnet wird - die hydrophoben Eigenschaften der Oberfläche. Wenn die Oberfläche hydrophil ist, kann sich Wasser leicht darauf verteilen und einen gleichmäßigen Film bilden (ein Beispiel für eine solche Oberfläche ist Glas). Wenn Sie jedoch ein paar Wassertropfen auf eine Teflonpfanne schütten, bleiben sie nicht an der Oberfläche haften, und wenn Sie sie in einem bestimmten Winkel neigen, beginnen die Tropfen zu rollen - dies ist ein Beispiel für eine hydrophobe Oberfläche.

Lotusblätter sind eine natürliche superhydrophobe Oberfläche, sie werden im Wasser nicht nass, sondern Tropfen perlen daran ab, nehmen Staub- und Schmutzpartikel mit und reinigen die Pflanzen. Lotusblätter sind eine natürliche superhydrophobe Oberfläche, sie werden im Wasser nicht nass, sondern Tropfen perlen daran ab, nehmen Staub- und Schmutzpartikel mit und reinigen die Pflanzen.

Und es gibt auch eine Eigenschaft wie Superhydrophobie. Auf solchen Oberflächen können sich Wassertropfen überhaupt nicht festsetzen und beginnen bereits bei sehr kleinen Neigungswinkeln abzuperlen. Zum Beispiel haben Tautropfen auf Gras eine Kugelform, die Oberfläche scheint Wasser abzustoßen und verhindert, dass es nass wird. Lotusblätter sind das schönste Beispiel für die superhydrophobe Oberfläche der Natur. Das Geheimnis liegt in der Mikrostruktur der Blätter, sie weisen nicht nur Wasser ab, sondern tragen auch zur Selbstreinigung der Pflanze bei. Wassertropfen, die von der Oberfläche des Blattes herunterrollen, tragen Staub- und Schmutzpartikel weg und hinterlassen die Blume perfekt sauber. Übrigens haben die Flügel von Schmetterlingen und anderen Insekten die gleiche Eigenschaft, sonst könnten sie unter dem Gewicht des anhaftenden Staubs einfach nicht fliegen.

Der Mensch hat gelernt, künstliche hydrophobe Oberflächen herzustellen, die in keiner Weise von Wasser benetzt werden. Aber zwei Physiker von der University of Rochester, Anatoly Vorobyov und Chang-Li Guo, gingen noch weiter und konnten ein Material herstellen, aus dem Wassertropfen wie ein Tennisball von einer Wand abprallen. Es wäre genauer zu sagen, dass sie eine Methode entwickelt haben, mit der verschiedenen Materialien eine solche einzigartige Eigenschaft verliehen werden kann. Wie haben sie das gemacht?

Um die Oberfläche zu behandeln, benötigten die Forscher einen leistungsstarken Saphirlaser, der kurze Femtosekundenpulse erzeugte. Nach dem Fokussieren des Laserstrahls auf die Metalloberfläche wurden parallele Rillen mit einer Breite von etwa 100 &mgr;m und einer Tiefe von 75 &mgr;m auf seine Oberfläche aufgebracht. Diese Größe ist vergleichbar mit der Dicke eines menschlichen Haares. Auf der so entstandenen geriffelten Oberfläche, die ein wenig an ein Beet mit gehäuften Kartoffeln erinnert, bildeten sich noch kleinere Nanostrukturen, die die Rillen und Furchen „rauh“ machten. Etwa eine Stunde brauchten die Experimentatoren, um eine 2,5 x 2,5 cm große Metallplatte mit einem Laser zu bearbeiten.

Das Ergebnis ist erstaunliches Material. Für ihre Experimente nahmen die Physiker drei Metallplatten aus Platin, Titan und Messing mit. Nach der Bearbeitung wurde die glänzende Metalloberfläche komplett schwarz – sie reflektierte kein Licht mehr. Aber die beeindruckendste Entdeckung wurde gemacht, als Wasser auf eine solche lasermodifizierte Platte getropft wurde – der fallende Tropfen prallte einfach davon ab. Die Oberfläche erwies sich als so wasserabweisend, dass ein darauf fallender Tropfen bis zu einem Drittel seiner Bewegungsenergie speichern und zurückprallen konnte. Die Metallplatte selbst blieb natürlich absolut trocken. Um die Selbstreinigungseigenschaften des entstandenen Materials zu testen, trugen die Forscher eine Staubschicht aus einem herkömmlichen Staubsauger darauf auf. Danach begann gewöhnliches Wasser auf die Oberfläche zu tropfen - jeder Tropfen "klebte" Staubfragmente auf sich selbst und nahm sie mit. Und das Material selbst blieb in seiner ursprünglichen Reinheit, nicht schlechter als eine schöne Lotusblume.

Tropfen, die in einem Flugzeug springen, sind natürlich schön und interessant, aber wie kann solches Material nützlich sein? Die Lotusblume erwies sich nicht nur als Symbol der Reinheit, sondern half auch Wissenschaftlern herauszufinden, wie sie unsere Welt ein wenig besser machen können. Zunächst einmal helfen selbstreinigende Oberflächen, Wasser zu sparen. Das ist sehr wichtig, wo jeder Liter Wasser zählt. Darüber hinaus können solche Materialien Anti-Icing-Eigenschaften haben - die Eisbildung an den Flugzeugsteuerungen ist mit sehr traurigen Folgen verbunden. Superhydrophobe Oberflächen sind widerstandsfähiger gegen Schimmel und andere Mikroorganismen. Die Eigenschaft, dass die Oberfläche des Metalls absolut schwarz wird, kann für die effiziente Aufnahme von Sonnenenergie nützlich sein.