Forscher beseitigen die große Schwachstelle von „Niemals-Nass”-Material
Wie Lotusblätter und viele Insektenflügel lassen superhydrophobe Oberflächen Flüssigkeiten einfach abperlen. Doch diese sogenannten „Niemals-Nass“-Materialien haben eine Schwäche: heißes Wasser.
Bei Flüssigkeiten über 40 Grad Celsius verlieren die meisten superhydrophoben Beschichtungen ihre wasserabweisenden Eigenschaften und saugen sich voll. Ein Forschungsteam der Rice University in Texas hat nun eine neue Methode entwickelt, die den Lotus-Effekt auch bei Temperaturen von bis zu 90 Grad Celsius erhält. Details erschienen in der Fachzeitschrift Surfaces, Interfaces, and Applications .
Strukturierte Oberfläche
Geläufige „Niemals-Nass“-Materialien basieren auf Oberflächenstrukturen im Mikro- und Nanobereich, die eine dünne Schicht Luft „einfangen“, sodass Wassertropfen auf einer Art Luftkissen landen, statt das Material selbst zu berühren. Dadurch verringert sich die Haftung und die Flüssigkeit kann abperlen.
Wenn allerdings ein heißer Tropfen auf eine kühle superhydrophobe Oberfläche trifft, verdunstet ein Teil davon und kondensiert innerhalb der Oberflächenstruktur. So entstehen winzige „Flüssigkeitsbrücken“, die den Tropfen an Ort und Stelle halten. Die Flüssigkeit perlt dann eben nicht ab, sondern bleibt haften, breitet sich aus und hinterlässt Rückstände.
Wärmeübertragung verhindern
Das Team der Rice University löste dieses Problem nicht mit aufwendig angepassten Oberflächenstrukturen oder komplexen chemischen Behandlungen. Stattdessen fügte es eine Schicht ein, die Wärmeübertragung – und damit Kondensation – verhindert.
Das Design der MISH („multilayered insulated superhydrophobic“) getauften Technologie ist zweilagig. Es besteht aus einer isolierenden Unterschicht und einer handelsüblichen superhydrophoben Deckschicht. „Die Isolierschicht reduziert die Abkühlung des heißen Tropfens an der Oberfläche, was wiederum die Verdunstungs- und Rekondensationszyklen verringert, die normalerweise die Oberflächenstruktur mit Kondensat überfluten“, erklärt Daniel J. Preston. Er ist Assistenzprofessor für Maschinenbau und Co-Autor der Studie.
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Testszenarien
Die Forscherinnen und Forscher testeten ihre MISH-Beschichtung in möglichst realistischen Szenarien. So haben sie eine horizontale Fläche mit heißem Wasser beträufelt, sowie dieses auf eine gebogene, schräge Oberfläche – quasi ein halbes Rohr – geschüttet. Außerdem überprüften sie das Material mit heißer Milch, Kaffee und Erbsensuppe.
Die heißen Flüssigkeiten hinterließen weniger als ein Prozent Rückstände auf MISH-beschichteten Oberflächen, im Vergleich zu 31 Prozent auf gewöhnlichen superhydrophoben Beschichtungen.
80 Stunden lang wasserabweisend
Die MISH-Beschichtung konnte heiße Wassertropfen über 80 Stunden lang abweisen, bevor sie langsam versagte. Die Schwäche lag dabei allerdings in der handelsüblichen Deckschicht und nicht im Isolierungskonzept selbst, sodass zukünftige Weiterentwicklungen des MISH-Materials länger halten könnten.
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„Die Leistung einer Oberfläche kann vorhersehbar angepasst werden, indem die Isolierung angepasst wird, ohne die Oberfläche jedes Mal neu zu gestalten. Das macht den Ansatz leichter skalierbar“, meint Preston. Weil ihre Methode für „Niemals-Nass“-Materialien auf günstigen, leicht verfügbaren Ausgangsmaterialien, die aufgesprüht werden, beruht, ist die Implementierung niedrigschwellig.
So könnten Fabriken sauberer laufen und effizienter Abfälle vermeiden. „Sobald man heiße Flüssigkeiten davon abhalten kann, kleben zu bleiben, verschwinden viele nachgelagerte Probleme“, sagt Preston.