Entwurf robuster superhydrophober Oberflächen

Die Fähigkeit superhydrophober Oberflächen, trocken und selbstreinigend zu bleiben und Biofouling zu vermeiden, ist attraktiv für Anwendungen in der Biotechnologie, Medizin und Wärmeübertragung. Wassertropfen, die diese Oberflächen treffen, müssen große Kontaktwinkel (mehr als 150 Grad) und kleine Abrollwinkel (weniger als 10 Grad) aufweisen. Dies kann für Oberflächen mit einer chemischen Zusammensetzung mit niedriger Oberflächenenergie und mikro- oder nanoskaliger Oberflächenrauhigkeit realisiert werden, wodurch der Kontakt zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche minimiert wird. Raue Oberflächen, bei denen nur ein kleiner Bruchteil der Gesamtfläche mit der Flüssigkeit in Kontakt steht, erfahren jedoch hohe lokale Drücke unter mechanischer Belastung, was sie zerbrechlich und sehr anfällig für Abrieb macht.

Darüber hinaus legt Abrieb die darunter liegenden Materialien frei und kann die lokale Beschaffenheit der Oberfläche von hydrophob zu hydrophil verändern, was zur Anhaftung von Wassertröpfchen an der Oberfläche führt. Es wurde daher angenommen, dass mechanische Robustheit und Wasserabweisung sich gegenseitig ausschließende Oberflächeneigenschaften sind.

Oberflächenrahmen als „Panzerung“

Wissenschaftler zeigen nun, dass eine robuste Superhydrophobie durch die Strukturierung von Oberflächen auf zwei verschiedenen Längenskalen realisiert werden kann, wobei ein Nanostrukturdesign für die Wasserabweisung und ein Mikrostrukturdesign für die Dauerhaftigkeit sorgt. Die Mikrostruktur ist ein miteinander verbundener Oberflächenrahmen mit „Taschen“, die hochgradig wasserabweisende und mechanisch zerbrechliche Nanostrukturen enthalten.

Dieser Oberflächenrahmen fungiert als „Panzerung“ und verhindert die Ablösung der Nanostrukturen durch Abriebstoffe. Die Forscher wenden diese Strategie auf verschiedene Substrate an – darunter Silizium, Keramik, Metall und transparentes Glas – und zeigen, dass die Wasserabweisung der resultierenden superhydrophoben Oberflächen auch nach Abrieb durch Schleifpapier und durch eine scharfe Stahlklinge erhalten bleibt.

Sie deuten darauf hin, dass dieses transparente, mechanisch robuste, selbstreinigende Glas dazu beitragen könnte, das Problem der Staubkontamination, das zu einem Effizienzverlust bei Solarzellen führt, zu beseitigen. Die Konstruktionsstrategie könnte auch als Leitfaden für die Entwicklung anderer Materialien dienen, die wirksame Selbstreinigungs-, Antifouling- oder Wärmeübertragungsfähigkeiten in rauen Betriebsumgebungen beibehalten müssen.

Die Studie wurde in Nature, volume 582 (2020) veröffentlicht.

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