Regenmantel aus Graphen

  • 18. November 2013

Hauchdünner Überwurf verleiht rauen Oberflächen wasserabweisende Eigenschaften.

Wissenschaftler am Rensselaer Polytechnic Institut entwickelten hauchdünne Überwürfe aus Graphen, die die wasserabweisenden Eigenschaften von Materialien mit rauen Oberflächen verstärken können. Diese weniger als ein Nanometer dicken „nanodrapes“ sind chemisch inert und bieten einen zusätzlichen Schutz für Oberflächen, deren andere Eigenschaften sie nicht verändern.

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Abb.: Regenmantel aus Graphen. (Bild: RPI)

Wie ein Team um Professor Nikhil Koratkar zeigte, sind Wassertropfen deutlich weniger Reibung ausgesetzt, wenn sie über die mit Nanodrapes bedeckten Oberflächen gleiten. Von dieser Neuheit können insbesondere mikrofluidische Systeme wie etwa Westentaschenlabors profitieren.

Wassertropfen bleiben leicht an Materialien mit nanostrukturierten rauen Oberflächen hängen. Wenn die Tropfen auf die Materialien fallen, verdrängen sie kleine Luftmengen, die in der strukturierten Oberfläche gefangen waren. Haben sie einmal deren Platz eingenommen, sind sie nur noch schwer auf der Oberfläche zu bewegen. Wird die Oberfläche hingegen mit einem undurchlässigen „Graphenmäntelchen” bedeckt, können sich die Wassertropfen nicht mehr festsetzen, da der Nanodrape den Tropfen daran hindert, in die Oberfläche einzudringen und sich durch Luftverdrängung festzusetzen. Stattdessen sitzen die Tropfen auf dem Graphenüberwurf und können sich aufgrund der geringeren Reibung leicht bewegen. Dabei stört der hauchdünne Überwurf die Eigenschaften der darunter liegenden Oberfläche nicht.

Die „Graphenmäntelchen” sind einige Quadratzentimeter groß und nach Aufbringung auf die Oberfläche nur noch mit Hilfe eines leistungsstarken Mikroskops zu sehen. Die Wissenschaftler ließen einige Wassertropfen auf Nanodrähte aus Kupfer fallen – auf unbehandelte und mit Nanodrapes versehene – und beobachteten den Vorgang der Tropfenformung mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Auf den blanken Oberflächen spreizten die Tropfen auf – wie es für hydrophile Oberflächen typisch ist. Auf den bedeckten Oberflächen bildeten sich runde Tropfen, die auf eine hydrophobe Oberflächen hinweisen. Im Anschluss an die Tropfenbildung wurde die freie Oberflächenenergie der Materialen mittels Kontaktwinkelanalyse bestimmt.

Laut Koratkar sind die wasserabweisenden Eigenschaften der Nanodrapes bereits nach Aufbingung nur einer Lage zu beobachten, verstärkten sich jedoch mit Hinzufügen weitere Lagen. Dies führt er auf Verletzungen der hauchdünnen „Graphenmäntelchen“ zurück, welche möglicherweise während des Aufbringungsprozesses entstehen können. Mit einer zweiten und dritten Lage können die Defekte der unterliegenden Schichten dann überdeckt werden.

Zur Herstellung der Nanodrapes ließen Koratkar und sein Team eine einzelne Lage Kohlenstoffatome in Form eines nanoskaligen Kaninchendrahtes auf einem Kupfersubstrat wachsen. Diese Graphenschicht wurde anschließend mit einem Kunststofffilm beschichtet. Anschließend wurde das Kupfer mit einer schwachen Säure entfernt. Die dann auf der Säure schwimmende Polymerschicht mit der Graphenlage wurde aufgenommen. Zuletzt wurde die Kunststoffschicht vorsichtig mit Aceton entfernt, sodass nur die einzelne Graphenlage übrig blieb.

RPI / LK

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