Oberflächenwissenschaftliche Konzepte vor Überarbeitung

Aktuelle Go-to-Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenbenetzungseigenschaften basieren auf der Messung von Kontaktwinkeln, wobei Bilder von vor- und zurücklaufenden Tröpfchen, die von Kapillaren auf Oberflächen abgegeben werden, analysiert werden, um Winkel an Fest-Flüssig-Dampf-Grenzflächen zu schätzen. Ein Kontaktwinkel von mehr als 90 Grad für Tröpfchen auf Wasser- oder Ölbasis zeigt an, dass die Oberflächen hydrophob (wasserabweisend) oder oleophob (ölbeständig) sind. Daher werden Oberflächen, die dieses Kriterium sowohl für Wasser als auch für Öle erfüllen, als omniphob definiert. Große Kontaktwinkel sorgen auch dafür, dass Oberflächen beim Eintauchen in Flüssigkeiten Luft einschließen, was für Anwendungen wie Entsalzung, Widerstandsverminderung in Transportleitungen und Antifouling-Materialien für Schiffe entscheidend ist.

Trügerische Bewertungen aufgrund des Kontaktwinkels

Kontaktwinkel haben sich als äußerst zuverlässig für die Beurteilung der Omniphobie von Oberflächen erwiesen, die flüssigkeitsabweisende chemische Beschichtungen nutzen. Für die Messung von Echtzeit-Kontaktwinkeln stehen handelsübliche Geräte und Software zur Verfügung. Bei der Erforschung beschichtungsfreier Ansätze zur Abwehr von Flüssigkeiten stellte das Team von Himanshu Mishra jedoch fest, dass Bewertungen, die nur auf Kontaktwinkeln basieren, trügerisch sein können.

Kontaktwinkelmessungen und Eintauchen

Um diese Diskrepanz nachzuweisen, untersuchten die Forscher die Benetzung von Siliziumdioxidoberflächen mit mikroskopisch kleinen pilzförmigen Säulen sowohl durch Kontaktwinkelmessungen als auch durch Eintauchen. Bei der Beurteilung nach dem Kontaktwinkel zeigten die Oberflächen Vor- und Rückwärtswinkel von mehr als 150 Grad, was sie nach dem Index zur Bewertung von Oberflächen als bemerkenswert flüssigkeitsabweisend oder superomniphobisch einstuft. Bei der Beurteilung durch Eintauchen haben jedoch dieselben Flüssigkeiten sofort die Mikrotextur angenommen und die Phobie ging verloren. So führten Oberflächen, die durch Kontaktwinkel als superhydrophob gekennzeichnet waren, zu fehlerhaften Schlussfolgerungen. In Wirklichkeit ermöglichten lokalisierte Defekte, wie z.B. gebrochene oder fehlende Säulen, in dieser Mikrotextur und Begrenzung, dass die Flüssigkeit in die eingeschlossene Luft eindrang und diese verdrängte.

Aktualisierung der Beurteilungskriterien erforderlich

Mit dem gleichen Material zeigten die Forscher auch, dass, wenn eine Wand um die Säulenarrays herum gebaut wurde, die resultierende aufgeteilte Mikrotextur Flüssigkeitströpfchen in der Luft abstieß und die Luft beim Eintauchen robust eingeschlossen wurde. „Wenn wir neue beschichtungsfreie Ansätze zur Flüssigkeitsabweisung identifizieren, müssen die alten Kriterien zur Beurteilung der Omniphobie aktualisiert und die Spezifität von Mikrotexturen erkannt werden“, sagt Mishra.

Vorantreiben grüner und robuster Alternativen

Erstautorin Sankara Arunachalam sagt: „Bei Kontaktwinkelmessungen belegen die Tröpfchen eine begrenzte Anzahl von Punkten auf der Oberfläche. Daher können die Auswirkungen von Oberflächenfehlern übersehen werden.“ Die Flüssigkeit kann jedoch beim Eintauchen die gesamte Oberfläche erreichen. Diese Ergebnisse sollen die rationelle Entwicklung beschichtungsfreier, flüssigkeitsabweisender Oberflächen als grüne und robuste Alternativen zu aktuellen chemischen Behandlungen für Anwendungen wie Entsalzung und Widerstandsreduktion vorantreiben.

Die Studie wurde veröffentlicht in: Journal of Colloid and Interface Science Volume 534, 15 January 2019, Pages 156-162.