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Superamphiphobe Oberflächen

© Dr. William Thielicke

Selbstreinigende Oberflächen sind nicht nur der Traum von gestressten Eltern, die verzweifelt versuchen die neusten Kunstwerke ihrer Kleinen von Wänden, Fußböden und dem letzten, nun nicht mehr sauberen Hemd, zu entfernen. Auch für viele Industriebranchen bieten superamphiphobe Oberflächen, also Oberflächen, die sowohl stark wasser- als auch ölabweisend sind, ein interessantes Anwendungsspektrum. Gerade in der anwendungsbezogenen Forschung der letzten Jahre standen neben dem Aspekt der Selbstreinigung auch Anwendungsbereiche wie die Trennung von Öl-Wasser-Gemischen, die Enteisung von Oberflächen, das Antifouling von Oberflächen (unerwünschte Ansiedlung von Organismen an technischen Oberflächen) oder die Manipulation der Tropfenbildung von Flüssigkeiten im Fokus.

Mit der Entdeckung des  Lotoseffekts durch Barthlott und Neinhuis im Jahr 1997 startete ein immer größer werdendes Interesse an superhydrophoben, also extrem wasserabweisenden und dadurch selbstreinigenden, Oberflächen. Der Lotoseffekt beruht dabei auf einer Kombination aus einer hydrophoben Oberflächenchemie und speziellen Mikro- und Nanostrukturen. Wie stark die Hydrophobie einer Oberflächen ist, wird u. a. mittels der sogenannten Youngschen Gleichung über die Kontaktwinkel der Flüssigkeitstropfen an einer Oberfläche bestimmt, d.h. je stärker der Tropfen die Form einer Kugel annimmt, desto höher ist der Kontaktwinkel bzw. desto geringer die Kontaktfläche zwischen Tropfen und Oberfläche. Oberflächen bei denen der Kontaktwinkel <90° ist, bezeichnet man als hydrophil (wasserliebend); ist der Kontaktwinkel >90° werden sie als hydrophob bezeichnet. Obgleich keine eindeutige Definition der Superhydrophobie existiert wird bei einem Kontaktwinkeln ab 150° von einer superhydrophoben Oberfläche gesprochen, d.h. der Tropfen liegt fast kugelförmig auf der Oberfläche. Dies resultiert in einer extrem geringen Benetzbarkeit (lediglich 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche berühren die Oberfläche). Nachdem die Superhydrophobie erfolgreich auf technische Oberflächen realisiert wurde, wird nun u.a. daran geforscht Oberflächen zu entwickeln die zudem Öl und nicht-polare organische Flüssigkeiten abweisen.

Es existieren verschiedene Möglichkeiten solche Oberflächen herzustellen, wobei auch hier die Kombination von Oberflächenstrukturierung mit einer geeigneten Chemie entscheident ist. Die Strukturierung kann beispielsweise über eine Tauchbeschichtung, photolithographische Verfahren, durch Ätzen, chemische Gasphasenabscheidung, oder auch mittels Elektrospinnen erfolgen. Die Modifikation dieser mikro- und nanoskaliegen Strukturen kann sowohl bereits vor dem Aufbringen auf die Oberflächen geschehen als auch erst im Anschluss.

Obgleich es bereits eine Vielzahl an potentiellen Anwendungsbereichen und Herstellungsmethoden gibt, bestehen jedoch noch eine ganz Reihe von Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf eine breite industrielle Produktion. Beispielsweise sind die meisten Herstellungsmethoden derzeit noch nicht tauglich für größere industrielle Prozesse und damit auch nicht für den Massenmarkt zugänglich. Zudem stellt häufig auch noch die mechanische Langzeitstabilität ein Problem dar. Neben der Bewältigung solcher Herausforderungen könnte zukünftig auch die Herstellung von selbstheilenden superamphiphoben Oberflächen ein Forschungstrend werden.

 

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