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Materialforschung

Keramik weist Wasser ab

Blaue Wassertropfen auf einer Keramikscheibe

Keramiken sind in der Technik wegen ihrer Eigenschaften begehrt: Sie sind hitzebeständig und sehr hart und kommen deswegen zum Einsatz, wo immer extreme Bedingungen herrschen. Allerdings schränkt ihr Aufbau sie auch in ihren chemischen Eigenschaften ein: Die meisten dieser Werkstoffe bestehen aus oxidischen Grundstoffen wie Silikaten oder Aluminiumoxid, und diese Stoffe lassen sich sehr gut von Wasser benetzen. Nun jedoch hat ein Team um Kripa Varanasi vom Massachusetts Institute of Technology eine ganze Klasse von Keramiken entdeckt, die sich anders verhalten: Die Oxide der Lanthanoide sind allesamt intrinsisch Wasser abweisend, wie die Materialwissenschaftler feststellten.

Die Ursache für diesen Unterschied liegt in der elektronischen Struktur: Die Metallatome an der Oberfläche normaler Oxide sind nicht allseitig von negativen Sauerstoffionen umgeben und haben deswegen nach außen gerichtete Lücken in ihren Elektronenhüllen – und Wassermoleküle binden hervorragend an diese Lücken. Um eine solche Keramik Wasser abweisend zu machen, muss man sie mit einem unpolaren Polymer beschichten. Doch die extremen Bedingungen, für die keramische Werkstoffe ideal sind, zerstören diese organischen Stoffe sehr schnell.

Blaue Wassertropfen auf einer Keramikscheibe
Wasser auf Ceroxid | Wassertropfen auf einem gesinterten Scheibchen aus Ceroxid. Der Kontaktwinkel zeigt: Die Oberfläche weist Wasser ab.

Die Elektronenhülle von Lanthanoiden wie Cer oder Neodym ist dagegen anders aufgebaut: Die unvollständige Elektronenschale der positiv geladenen Metallatome liegt nicht ganz außen, sondern quasi abgeschirmt hinter einer anderen, voll besetzten Elektronenschale. Wie das Team um Varanasi zeigte, können Wassermoleküle deswegen nicht an diese Bindungsstellen andocken. Stattdessen bindet das Wasser an die negativ geladenen Sauerstoffionen – und diese Bindung ist schwächer als die Bindung der Wassermoleküle untereinander.

Deswegen bleibt Wasser an der Oberfläche dieser Stoffe lieber unter sich; statt einen Wasserfilm zu bilden, formt es lieber Tropfen. Gleichzeitig hat der Stoff die gleichen mechanischen Eigenschaften wie klassische Keramik und ist ebenso korrosionsbeständig. Das ist zum Beispiel interessant für Wärmetauscher, denn Wassertropfen übertragen Wärme bei der Kondensation effektiver als -filme.

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