Schmutzabweisende Oberflächen

Wassertropfen auf einer superhydrophoben Oberfläche können Schmutzpartikel aufnehmen.
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Alle Oberflächen in unserem täglichen Leben werden über die Zeit mit Partikeln wie Staub, Pollen oder Mikroorganismen verdreckt. Daher sind Oberflächen wünschenswert, die einfach gereinigt werden können. Sogenannte superhydrophobe Oberflächen, von denen Wassertropfen einfach abperlen, sind mit ihren selbstreinigenden Eigenschaften hierfür vielversprechende Kandidaten. Diese Oberflächen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Mikro-Rauigkeit aufweisen und so die Kontaktfläche zu Wassertropfen deutlich reduzieren. Lange Zeit war jedoch unverstanden, wie der Effekt der Selbstreinigung auf mikroskopischer Ebene genau funktioniert und wie Oberflächen hergestellt werden müssen, um möglichst effektiv zu funktionieren. Wissenschaftler um Prof. Dr. Doris Vollmer und Dr. Rüdiger Berger vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben nun neue Einblicke in den Selbstreinigungsprozess gewonnen, indem sie eine solche Oberfläche mikroskopisch im Mikrometerbereich abgebildet haben. Mit der besonderen Mikroskopie-Methode, die einen Laser als Lichtquelle verwendet konnten sie zeigen, dass ein Tropfen auf einer mit Schmutzpartikeln verunreinigten superhydrophoben Oberfläche im wesentlichen nur Kontakt mit den Schmutzpartikeln selbst hat – also kaum einen Kontakt mit der Oberfläche herstellt. Dafür ist aber die Größe der Partikel im Vergleich zu typischen Längenskalen der Oberflächen-Rauigkeit essentiell. Abhängig von der Oberfläche kann die Partikelgröße zwischen einigen zehn Nanometern und mehreren Mikrometern variieren. "Eine Oberfläche funktioniert effektiv, wenn die Längenskala beziehungsweise Porengröße der superhydrophoben Oberfläche kleiner ist als der Schmutzpartikel selbst", so Doris Vollmer. "Dann wird Schmutz, zum Beispiel durch Regen, komplett entfernt."

Tropfenbewegung abhängig von Schmutzpartikelanzahl und Haftkraft

In einem weiteren Schritt haben die Wissenschaftler die Ergebnisse mit Hilfe von Kraftmessungen verifiziert. Dazu haben sie eine am MPI-P entwickelte hochsensitive Messmethode verwendet, die es erlaubt, die Reibung von Tropfen zu messen. Damit konnten sie zeigen, dass die Kraft, die für die Fortbewegung des Tropfens notwendig ist, sich aus der Anzahl an Schmutzpartikeln sowie der Haftkraft zwischen den Partikeln und der Oberfläche ergibt. Diese sehr genauen Kraftmessungen ermöglichte eine weitere wichtige Aussage: Partikel werden nur dann effektiv entfernt, wenn die Haftung zwischen Tropfen und Partikel größer ist als die Haftkraft zwischen Partikel und Oberfläche. Ihre so aufgestellten Regeln, die das Design einer schmutzabweisenden Oberfläche erleichtern sollen, haben sie mit Partikeln unterschiedlichster Größe und Art verifiziert. Interessanterweise verhalten sich Partikel wie beispielsweise Staub ähnlich wie kohlenstoffhaltige Substanzen, zum Beispiel Ruß. Die Ergebnisse wurden in der  Fachzeitschrift "Science Advances" veröffentlicht.

Autor(en): Wi

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