Neues Material: Das ist die wasserabweisendste Oberfläche der Welt

Chemiker:innen gelang es, eine spezielle Beschichtung zu entwickeln, mit der man Oberflächen extrem wasserabweisend machen kann. Bereits bei einer Neigung von nur 0,01 Grad gleiten Wassertropfen von einer entsprechend beschichteten Oberfläche ab. Es handelt sich um eine Entdeckung, die durchaus Einiges an Alltagsrelevanz aufweist.

Moleküle weisen auf Nanoebene Wasser ab

Wasserabweisende Antihaftbeschichtungen haben einen festen Platz in unserem Alltag, etwa beim Kochen oder als Beschichtung von Fensterscheiben. Dabei kommen in der Regel entweder Beschichtungen mit wasserabweisenden Chemikalien oder eine nanostrukturierte Oberfläche zum Einsatz. Beide Methoden sollen die Reibung zwischen Oberfläche und Wassertropfen so herabsetzen, dass der Tropfen sich nicht anlagert, sondern direkt abperlt.

Chemiker:innen rund um Sakari Lepikko von der Aalto-Universität in Finnland haben nun eine Alternative zur nanostrukturierten Oberflächen mit Lotus-Effekt entwickelt. „Es ist das erste Mal, jemand direkt auf die Nanometer-Ebene gegangen ist, um direkt dort molekular heterogenen Oberflächen zu erzeugen„, erklärt Lepikko das Prinzip. Dabei kommen spezielle Moleküle zum Einsatz, die der Oberfläche eine wasserabweisende Schicht verleihen.

Die Beschichtung besteht dabei aus organischen Molekülen mit einem hydrophilen Kopf aus Siliziumatomen und einem wasserabwesenden „Schwanz“, der aus einer Kohlenwasserstoffkette besteht. Das Besondere dabei ist, dass die Moleküle selbstorganisierend und hochgradig mobil sind. Sie sind zwar über kovalente Bindungen an die Oberfläche gebunden, können aber flexibel ihre Positionen wechseln und verhalten sich mehr wie eine flüssige Schmierschicht als eine fixe Beschichtung.

Dahinter steckt ein neuer Mechanismus

In Praxistests stellten die Forscher:innen fest, dass die Beschichtung entgegen ihren Erwartungen bei mittlerer Moleküldichte eher enttäuschte, aber dafür bei sehr hoher oder geringer Dichte extrem wasserabweisend war. Konkret maß das Team eine Reibung von 0,024 Mikronewton pro Millimeter. Ein 15 Mikroliter umfassender Wassertropfen würde so schon bei einer Neigung von nur 0,01 Grad abrutschen. „Unseres Wissens nach ist dies damit die rutschigste je dokumentierte Oberfläche„, so die Forscher:innen.

Nähere Analysen durch das Team ergaben, dass hier zwei Varianten eines neuartigen Mechanismus wirken. Wenn die Dichte der Moleküle niedrig ist, können einzelne Wassermoleküle als eine Art dünner Film zwischen die Moleküle der Beschichtung gelangen, sodass eine flache, hochgradig bewegliche Schicht entsteht. Dieses interfaziale Wasser fungiert als Schmierschicht für den Tropfen und senkt die Reibung auf sehr niedrige Werte ab„, erklären die Forscher:innen.

Bei hoher Moleküldichte kommt die zweite Variante zum Tragen: Bei ihr bleibt das Wasser oben auf der Beschichtung und perlt ebenso leicht ab. Dabei verringern die wasserabweisenden Enden der Moleküle die Kontaktfläche mit dem Tropfen und verhindern Anlagerungen von Wassermolekülen auf der Oberfläche. „Dieses interfaziale Wasser fungiert als Schmierschicht für den Tropfen und senkt die Reibung auf sehr niedrige Werte ab“ erklären die Forscher:innen.

Neue Ansätze für Antihaftflächen

Die Chemiker:innen gehen davon aus, mit ihrer Entdeckung neue Ansätze für wasserabweisende Schichten gefunden zu haben, die eine Vielzahl von Anwendungen hätten, etwa bei Leitungen, in der Optik oder in der Luftfahrt. „Auch Dinge wie der Wärmetransfer in Rohren, die Enteisung und das Verhindern von beschlagenen Scheiben sind potenzielle Anwendungen. Unser eigentlich den gängigen Regeln widersprechender Mechanismus ist ein neuer Weg, um Tropfenmobilität überall dort zu erhöhen, wo sie benötigt wird„, so Lepikko.

Derzeit arbeitet das Team daran, die Antihaftschicht weiter zu optimieren. Noch ist sie nämlich nicht haltbar genug um praktisch einsetzbar zu sein. „Aber das Wissen um die grundlegende Wirkungsweise gibt uns die Chance, auf dieser Basis haltbarere Anwendungen zu entwickeln„, enden die Forscher:innen.

via Aalto University