Smarte selbstreinigende Oberflächen

Filmische Verunreinigungen auf Glasoberfläche vor der Untersuchung zum photokatalytischen Abbau.
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Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP befasst sich im Rahmen eines von der Fraunhofer-Gesellschaft intern geförderten Forschungsprojektes DISCOVER mit der Nutzung bidirektionaler Displaytechnologie und kombiniert diese mit easy-to-clean Oberflächen, um Verunreinigungen und Kontaminationen schnell detektieren und beseitigen zu können. Als beispielhafte filmische Verunreinigung dienten in der Projektarbeit Biofilme, die sich häufig nur schwer entfernen lassen. Ursache ist, dass enthaltene Mikroorganismen durch die Matrix des Biofilms selbst geschützt werden und antimikrobielle Substanzen wie Antibiotika und Desinfektionsmittel nicht in das Innere des Filmes eindringen können. Dies verhindert eine chemische Inaktivierung. Auch gegenüber mechanischen Einwirkungen zur Entfernung sind Biofilme sehr resistent. Zudem ist es nicht in jedem Fall möglich, mechanische Kräfte zur Beseitigung der Verunreinigung anzuwenden. Eine mögliche Herangehensweise zur Vermeidung filmischer Verunreinigungen auf Oberflächen ist es, die Oberfläche selbst so zu gestalten, dass sie schmutzabweisend wirkt oder leicht zu reinigen ist. Ein Ansatz dafür ist die Nutzung photokatalytisch aktiver Beschichtungen, die meist auf Titandioxid basieren. Bestrahlt man diese Schichten mit Wellenlängen aus dem UV-Bereich, wird ein chemischer Prozess an der Oberfläche aktiviert, wodurch organische Verbindungen aufgebrochen und abgebaut werden können.

Verschmutzungen in Echtzeit detektieren

Ein weiterer entscheidender Punkt für jegliche Art von Verunreinigungen ist deren schnelle Detektion. Eine Ermittlung des Verschmutzungsgrades in Echtzeit ist vor allem für Produktionsabläufe sehr wichtig, jedoch technisch schwer zu realisieren. Hier setzt die Idee der Nutzung von bidirektionalen Mikrodisplays des Fraunhofer FEP an. Bidirektionale Displays können sowohl Licht oder Inhalte aussenden als auch das zurückfallende Licht über eine integrierte Kamerafunktion detektieren und auswerten. Die Bidirektionalität ermöglicht es, den Zustand der Oberfläche durch das Gerät selbst erfassen zu lassen. Das Display enthält eine Kamera, die es erlaubt, die Verschmutzung auf dem Display zu überwachen. So kann die Bildung von Biofilmen in Echtzeit detektieret werden. Durch die Kombination von bidirektionalen Displays und Photokatalyseschichten konnten filmische Verunreinigungen unabhängig vom Umgebungslicht detektiert werden. Bei diesem Lösungsansatz wird die Photokatalysebeschichtung von innen, also von Substratseite aus, mit Hilfe des bidirektionalen Displays bestrahlt. Neben filmischen Verunreinigungen können ebenfalls partikuläre Ablagerungen in Echtzeit bewertet werden. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig – von der effektiven Reinigung von Solar- und Photovoltaikanlagen über die Reinigung von Trinkwasserleitungen und flüssigkeitsführenden Systemen bis hin zur Biofilmbeseitigung auf Kathetern und in-vivo Infektionsdetektion auf Implantaten. 

Der vollständige Beitrag ist in der April-Ausgabe von JOT erschienen.

Autor(en): Dr. Gaby Gotzmann, Dr. Uwe Vogel, Dr Daniel Glöß, Philipp Wartenberg, Dr. Ulla König vom Fraunhofer FEP

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