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Materialwissenschaften: Den Lotus-Effekt auf die Spitze getrieben

Kampf der Giganten: Die flüssigste Flüssigkeit der Welt gegen die abweisendste Oberfläche. Wer wird gewinnen und warum?
Wassertropfen auf StoffLaden...

Eine Oberfläche von der einfach alles abperlt, sogar die flüssigste Flüssigkeit. Zwei Wissenschaftler der University of California in Los Angeles haben jetzt eine solche superomniphobe Oberfläche geschaffen. Ihre flüssigkeitsabweisende Struktur kommt dabei ganz ohne exotische Beschichtungen aus, sie funktioniert durch reine Physik. Ähnlich wie beim Lotus-Effekt helfen hier mikroskopisch kleine Nägel mit noch winzigeren Krempen, Flüssigkeitstropfen auf der Materialoberfläche zu balancieren.

Fakir auf NagelbrettLaden...
Fakir auf Nagelbrett | Ähnlich wie ein Fakir auf einem Nagelbrett, liegen auch die Wassertropfen auf einem Lotusblatt nur auf den Spitzen der Oberfläche.

Auch wenn man auf den ersten Blick vielleicht meinen könnte, eine sehr glatte Oberfläche wäre besonders wasserabweisend, stimmt das nicht. Je rauer die Oberfläche ist, desto abweisender ist sie. Winzige Unebenheiten auf einer Fläche können helfen, das Einsickern von Flüssigkeiten zu verhindern – nach diesem Prinzip funktioniert zum Beispiel der Selbstreinigungseffekt von Lotusblättern. Die Blattstruktur besteht aus unzähligen Hügeln, sodass ein Wassertropfen auf den Spitzen dieser Ehebungen liegt wie ein Fakir auf einem Nagelbrett. Die geringe Anteil der Fläche mit der sich Flüssigkeit und Feststoff berühren ist ausschlaggebend dafür, dass das Tröpfchen von einem Lotusblatt abperlt.

Doch selbst mit dem Wissen um den Lotuseffekt und verschiedenen flüssigkeitsabweisenden Beschichtungen in der Hinterhand waren Wissenschaftler einem Gegner bis dato nicht gewachsen: Perfluorhexan. Diese Flüssigkeit mit der geringsten bekannten Oberflächenspannung durchweichte bislang noch jedes Material. Doch Chang-Jin Kim und sein Kollege Tingyi Liu machten im wahrsten Sinne des Wortes Nägel mit Köpfen, als sie sich des Problems annahmen. Sie analysierten die bisherigen Versuche, eine superomniphobe Oberfläche zu erzeugen und fanden einen neuen Ansatz. Statt auf einfache Zylinder oder Kugeln auf der Oberfläche eines Materials setzten sie auf eine komplexere Struktur: Mikroskopische Nägel mit Krempen an den Köpfen.

Den Nagel auf den Kopf getroffen

Die winzigen Spitzen haben durch ihre doppelt umgebogene Struktur einen entscheidenden Vorteil: Flüssigkeitstropfen legen sich wie gehabt auf die Nagelköpfe, fließen aber auch an den senkrechten Krempen hinunter. An den Enden der Nagel-Krempen werden sie durch ihre eigene Oberflächenspannung gestoppt, die sich jetzt nach oben richtet. Die Flüssigkeit liegt so zwar auf den Spitzen der Oberflächenstruktur auf, ist aber durch ein Luftkissen von der eigentlichen Materialoberfläche getrennt und kann sie nicht benetzen. Um diese Art der Imprägnierung möglich zu machen, mussten die kalifornischen Forscher das perfekte Verhältnis zwischen Nagelkopf und Krempe bestimmen und dann auch in der Lage sein, eine solch filigrane Struktur herzustellen.

Schon 1985, während seiner Masterarbeit, träumte Chang-Jin Kim vom Einsatz einer doppelt-umgebogenen Oberflächenstruktur in der Materialwissenschaft. Nur schien die Erzeugung der komplizierten Gebilde im Mikrometerbereich lange unmöglich. Heute können auch kleinste Strukturen hergestellt und die Oberfläche von Materialien gezielt manipuliert werden. Besonders praktisch: Die neue Struktur kann viele verschiedene Materialien abdichten. Die erste flüssigkeitsabweisende Oberfläche der amerikanischen Forscher bestand aus Siliciumdioxid, da es Flüssigkeiten normalerweise sehr schlecht abperlen lässt und leicht zu verarbeiten ist. Inzwischen können sie aber auch Metall und Polymere durch die veränderte Oberfläche super-abweisend machen.

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  • Quellen
Science 10.1126/science.1254787, 2014

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