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Eine neue Art von Metaoberfläche nutzt die Sonne, um beschlagene Bildschirme zu klären
Pixabay
Wenn eine Brille beschlägt, kann das lästig sein. Doch wenn eine Autoscheibe oder der Helm eines Astronauten beschlägt, können die Folgen fatal sein. Deshalb haben Autos und Raumanzüge ihre eigenen Klimaanlagen, um das Beschlagen zu entfernen oder zu verhindern.
Aber Klimaanlagen sind teuer, sperrig und umweltschädlich. Daher sind Ingenieure und Materialwissenschaftler bestrebt, einen Weg zu finden, das Beschlagen effektiver zu verhindern.
Betreten Sie Christopher Walker und Kollegen von der ETH in Zürich, Schweiz, die ein neues Material mit Eigenschaften entwickelt haben, die mit nichts in der Natur zu finden sind. Ihr Material – oder Metaoberfläche, um ihr den richtigen Namen zu geben – fängt die Strahlung der Sonne ein und nutzt sie, um jegliches Kondenswasser abzubrennen oder zu verhindern, dass es sich überhaupt bildet. Das Ergebnis ist eine effektive und relativ kostengünstige Möglichkeit, dieses heimtückische Problem anzugehen.
Eine Metaoberfläche ist ein Material, das so konstruiert ist, dass es Oberflächeneigenschaften aufweist, die in der Natur nicht zu finden sind. Sie werden oft unter Verwendung eines sich wiederholenden Musters aus kleineren Einheiten wie Nanopartikeln hergestellt.
In diesem Fall erzeugt das Team ihre Oberfläche, indem es eine Silikafolie mit Goldnanopartikeln bedeckt und sie mit einer Schicht aus Titandioxid versiegelt. Anschließend wiederholten sie diesen Vorgang, um mehrere Schichten zu erstellen.
Die Nanopartikel absorbieren einen Teil des auf sie treffenden Sonnenlichts und verleihen dem Glas eine Tönung. Sie erwärmen sich aber auch und erhöhen die Oberflächentemperatur des Glases um bis zu 10 °C.
Das ist der Schlüssel zur Vermeidung von Beschlag. Die Hitze verhindert entweder das Kondensieren von Wasser oder bringt Wasser zum Verdampfen.
Eine wichtige Frage ist, ob dieser Ansatz herkömmliche Antibeschlagtechnologien übertrifft. Am gebräuchlichsten ist es, Glas mit einem superhydrophilen oder superhydrophoben Material zu beschichten. Diese verhindern zwar keine Kondensation, aber sie verändern die Größe und das Verhalten der sich bildenden Wassertröpfchen, wodurch häufig eine durchgehende dünne Wasserschicht auf der Oberfläche entsteht.
Um herauszufinden, wie die Metaoberfläche abschneidet, hat das Team sie mit einer unbehandelten Oberfläche und mit superhydrophilen und superhydrophoben Materialien beschichteten Oberflächen verglichen.
Die Ergebnisse sind überzeugend. Die Forscher sagen, dass ihre neue Metaoberfläche die Kondensationsrate deutlich reduziert und die Verdunstungsrate im Vergleich zu anderen Materialien erhöht.
Und weil die Goldnanopartikel durch eine Titanoxidschicht geschützt sind, sind auch diese Oberflächen robust. Wir glauben, dass diese Forschung zu robusteren und verbesserten passiven Antibeschlag- und Entnebelungsoberflächen führen wird, sagen sie.
Das ist eine interessante Arbeit. Die neue Metaoberfläche ist relativ einfach herzustellen und ebnet den Weg für die Herstellung in großem Maßstab auf einer Vielzahl von Materialien wie Glas und Polymeren. Dieser Ansatz würde zu erheblichen Leistungssteigerungen für Anwendungen wie Fenster, Windschutzscheiben, elektronische Displays, Kameras, Spiegel und Brillen führen, heißt es.
Natürlich nutzt das Material das Sonnenlicht, was die Frage aufwirft, wie es nachts funktionieren könnte. Die Oberfläche kann noch abgewischt oder mit Frischluft gereinigt werden. Aber die Metaoberfläche eröffnet die Möglichkeit anderer Mechanismen, wie etwa einer künstlichen Beleuchtungsquelle. Antibeschlag könnte in Zukunft so einfach sein wie das Einschalten eines Lichts.
Ref: arxiv.org/abs/1904.02534 : Transparente Metaoberflächen, die dem Beschlagen entgegenwirken, indem sie Sonnenlicht nutzen