Oberflächen nach Haischuppen-Vorbild: Mikrostrukturierte Beschichtung schützt vor Kalk

Ein Forschungsteam der ETH Zürich und der Universität Berkeley hat eine mögliche Lösung für das Verkalken gefunden: eine spezielle kalkabweisende Beschichtung, die mikroskopisch kleine Rippen aufweist und die Anhaftung von Kalkkristallen verhindert.

Da es bisher kaum Grundlagenwissen für die Entwicklung von kalkabweisenden Oberflächen gegeben hat, haben die Forschenden um den ehemaligen ETH-Professor Thomas Schutzius im Detail untersucht, wie einzelne wachsende Kalkkristalle mit der umgebenden Wasserströmung sowie der Oberfläche auf mikroskopischer Ebene wechselwirken. Darauf basierend entwickelte Schutzius’ Doktorand Julian Schmid und weitere Team-Kollegen mehrere Beschichtungen aus verschiedenen weichen Materialien und testeten sie im Labor an der ETH Zürich.

Gerippte Oberfläche gibt Kalk keinen Halt

Als wirksamste Beschichtung entpuppte sich ein Polymer-Hydrogel, dessen Oberfläche die Forschenden mittels Fotolithografie hergestellter Formen mit mikroskopisch kleinen Rippen versehen haben. Die Mikrostruktur des Hydrogels erinnert an jene von natürlichen Vorbildern wie Haischuppen, welche ebenfalls eine Rippenstruktur haben, was bei Haien die Bildung von Oberflächenbelägen unterdrückt.

Die Rippen dafür, dass die Kalkkristalle weniger Kontakt zur Oberfläche haben, sich nicht festsetzen können und sich deshalb besser ablösen lassen. Wasser, das über das Hydrogel und durch die Rippenstruktur fließt, trägt sie fort. Die Beschichtung kann zwar nicht verhindern, dass sich einige Kalkkristalle bilden. Durch das ständige passive Abtragen der mikroskopischen Kristalle wird jedoch vermieden, dass die Kristalle zu einer hartnäckigen Schicht zusammenwachsen.

Kaum ein Kristall bleibt haften

In den verschiedenen Beschichtungen variierten die Forschenden in erster Linie den Polymeranteil. Je geringer dieser ist und je höher der Wasseranteil, desto schlechter haften die Kalziumkarbonat-Kristalle auf der Oberfläche.

Versuche mit Modellpartikeln aus Polystyrol zeigen, dass die Oberflächenstrukturen der Beschichtung kleiner sein muss als die Partikel, die sich auf ihr ablagern. Dadurch wird die Kontaktfläche und somit die Adhäsionskraft reduziert. „Wir variierten die Oberflächenstruktur des Materials, um die größte Effizienz zu erzielen und führten die Kristallexperimente mit dieser optimalen Strukturgröße durch“, sagt Schmid.

Die Experimente zeigen, dass die Hydrogel-Beschichtung sehr effektiv ist: Bis zu 98 Prozent aller Kalkkristalle mit einer Größe von etwa zehn Mikrometern, die zuvor auf einer mit Hydrogel beschichteten Oberfläche gewachsen sind, wurden abgetragen.

Vorteil gegenüber chemischer Entkalkung

Die Forschenden betonen, dass ihre Lösung umweltschonender und effizienter ist als bisherige Ansätze zur Entkalkung. Dafür werden bis heute teilweise giftige und aggressive Chemikalien verwendet. Das Hydrogel ist hingegen biokompatibel und umweltfreundlich. Die Technik wäre auch skalierbar. Die Beschichtung aufzutragen wäre auf verschiedene Arten möglich, welche die Industrie schon heute anwendet.

Auf ihre Entwicklung haben die Forschenden bislang kein Patent erhoben, sondern entschieden sich bewusst für eine Publikation in einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift. Damit steht es allen Interessierten offen, die neue Beschichtung weiterzuentwickeln und nutzbar zu machen.

Diese Forschung wurde in Science Advances, Band 9, Ausgabe 51, 20. Dezember 2023, veröffentlicht.

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