Mikrostrukturierung macht Oberflächen superomniophob

  • 28. November 2014

Kappen auf Mikrosäulen lassen alle Flüssigkeiten abperlen.

Wie der Lotuseffekt zeigt, kann eine Oberfläche aus wasserabweisendem oder hydrophobem Material durch eine geeignete Mikrostruktur „superhydrophob“ werden. Dann perlen Wassertropfen von ihr ab und rollen bei leichter Neigung herunter. Jetzt gelang es Forschern erstmals, auch benetzbare Oberflächen durch Mikrostrukturierung „superomniophob“ zu machen: Sie stoßen praktisch alle Flüssigkeiten ab.

Mikrostruktur

Abb: Eine Siliziumoxidoberfläche mit einem Wald von Mikrosäulen. Dank der gekrempten Kappen der Säulen ist die Oberfläche für Flüssigkeiten aller Art extrem abweisend. (Bild: T. Liu & C.-J. Kim / AAS)

Wie gut eine Flüssigkeit eine Unterlage benetzen kann, hängt davon ab, ob es für sie energetisch günstiger ist, eine freie oder eine der Unterlage zugewandte Grenzfläche zu bilden. Flüssigkeiten mit extrem kleiner Oberflächenenergie oder Oberflächenspannung wie Perfluorhexan (γ=10 mJ/m2) benetzen praktisch alle natürlichen Materialoberflächen als Flüssigkeitsfilm. Sie können auf diese Weise ihre Energie minimieren, weil die der Benetzung entgegen wirkende Oberflächenspannung praktisch keine Rolle spielt.

Versucht man hingegen, eine hydrophobe Oberfläche mit Wasser zu benetzen, so bilden sich Wassertropfen, da jetzt die Oberflächenspannung (γ=72,8 mJ/m2) dominiert. Die Tropfenoberflächen bilden mit der ebenen Unterlage einen Kontaktwinkel von etwas über 90°. Indem man der Unterlage eine geeignete Mikrostruktur gibt, beispielsweise aus zahlreichen Mikrosäulen, kann man die Auflagefläche der Flüssigkeit verringern und dadurch die Dominanz der Oberflächenspannung vergrößern. Die Unterseite der Tropfen schnürt sich daraufhin ein, sodass der Kontaktwinkel deutlich größer als 90° ist und 150° übersteigen kann. Man spricht dann von einer superhydrophoben Oberfläche.

Kann man auch eine Oberfläche aus hydrophilem Material so strukturieren, dass sie hydrophob oder sogar superhydrophob wird? Die naheliegende Idee, auch diese Oberfläche mit einem Wald von einfachen zylindrischen Mikrosäulen zu bedecken, führt noch nicht zum Ziel. In diesem Fall würde das Wasser zunächst die hydrophilen Säulen und dann die ganze Oberfläche benetzen, die somit trotz Mikrostrukturierung hydrophil bliebe. Tingyi Liu und Chang-Jin Kim von der University of California in Los Angeles haben eine elegante Lösung dieses Problems gefunden und damit Oberflächen entwickelt, die keine Flüssigkeit mehr benetzen kann.

Sie haben eine Unterlage aus hydrophilem Siliziumoxid mit zahlreichen Mikrosäulen aus demselben Material bedeckt. Jede der zylindrischen Säulen trägt eine kreisförmige Kappe, deren Rand eine senkrecht nach unten zeigende Krempe hat. Gibt man nun Wasser auf die mikrostrukturierte Oberfläche, so bildet sich zunächst eine Wasserschicht, die auf den Kappen aufliegt und die Krempen hinab läuft. Das Wasser kann jedoch nicht um die Krempen herum und an ihrer Innenseite hoch laufen, um so zu den Säulenschäften zu gelangen. Denn es kommt am Krempenrand zur Ruhe, da hier die Oberflächenspannung eine nach oben gerichtete Kraft verursacht, der die Gewichtskraft der aufliegenden Wasserschicht das Gleichgewicht hält.

Deshalb wirken nur die Zylinderkappen hydrophil und nicht die gesamte Siliziumoxidoberfläche. Die effektive hydrophile Oberfläche ist somit stark reduziert, sodass die Oberflächenspannung des Wassers dominiert und die Wasserschicht sich zu Tropfen zusammenzieht. Die mikrostrukturierte Oberfläche ist somit nicht nur hydrophob, sondern sogar superhydrophob, da Kontaktwinkel von über 150° auftreten.

Mit dieser neuartigen Mikrostrukturierung stellten die Forscher superhydrophobe Oberflächen aus unterschiedlichen Materialien wie Metallen oder Polymeren her, darunter sowohl hydrophile als auch hydrophobe Materialien. Die mikrostrukturierten Oberflächen weisen neben Wasser auch andere Flüssigkeiten, etwa Öl oder Alkohol, extrem stark ab: Sie sind „superomniophob“. Sogar Flüssigkeiten mit äußerst kleiner Oberflächenspannung wie Perfluorhexan, für die es bisher keine abweisenden Materialien gab, bilden auf den mikrostrukturierten Oberflächen Tropfen, die bei leichter Neigung von ihnen herablaufen.

Die mikrostrukturierte Siliziumoxidoberfläche behält ihre superomniophobe Wirkung auch noch bei einer Erhitzung auf über 1000 °C. Auf nichtflüchtige Flüssigkeiten wirkt sie selbst bei über 320 °C extrem abweisend. Auch auf biologische Flüssigkeiten wie Blutserum wirkt sie für längere Zeit stark abweisend, während herkömmliche superhydrophobe Oberflächen ihre abweisende Wirkung schnell verlieren.

Rainer Scharf

RK

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