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Eine neue Beschichtung verspricht das Ende der Flecken
Mit Räucherkerzen bewaffnete deutsche Forscher haben eine kostengünstige und einfache Möglichkeit gefunden, Oberflächen so zu beschichten, dass Öltröpfchen abprallen oder abperlen. Der Fortschritt könnte schließlich zu Brillenbeschichtungen und Tablet-Computerbildschirmen führen, die selbst den fettigsten Fingerabdrücken entgehen können.
Auch für industrielle und biomedizinische Anwendungen ist es wichtig, Oberflächen flüssigkeitsabweisend zu machen – sei es auf Wasser- oder Ölbasis. Im Gegensatz zu Wasser ist es jedoch schwieriger, eine Oberfläche herzustellen, die Öl oder organische Lösungsmittel abweist, da Öl eine viel geringere Oberflächenspannung als Wasser hat.
Erforderlich ist eine ganz bestimmte Art von Oberflächenrauhigkeit – ähnlich den Ästen eines knospenden Baumes –, die eine ölabweisende Wirkung erzielt. Dies ist seit einiger Zeit bekannt, aber es war schwierig, eine solche Textur herzustellen. Frühere Arbeiten am MIT und anderswo umfassten komplexe nanolithographische Techniken.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz, in a Papier heute in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft , sagen, dass sie einen einfacheren Weg gefunden haben, indem sie eine Kombination aus Kerzenruß und Kieselsäure verwenden, die bei genau der richtigen Temperatur gebacken werden.
Zuerst hielten sie den Glasobjektträger über eine herzförmige Kerze (obwohl jede Kerze reicht). Dies führte zur Ablagerung von Ruß auf dem Objektträger – Rußkügelchen mit einem Durchmesser von 30 bis 40 Nanometern, die lose gestapelt waren und die richtige Oberflächenstruktur erzeugten: etwa 80 Prozent leere und 20 Prozent Kugeln.
Um den Ruß vor dem Auswaschen zu schützen, beschichteten sie ihn mit einer 25 Nanometer dicken Kieselsäurehülle; Um die schwarze Farbe des Rußes loszuwerden, haben sie die Folie bei 600 ºC gebacken und sie transparent gemacht. Danach versprühten sie verschiedene Öle – Erdnussöl und Lösungsmittel – und machten mikroskopische Aufnahmen dieser Flüssigkeitströpfchen, die wie Tischtennisbälle auf und ab hüpften.
Die Beschichtung haftet auch auf Aluminium, Stahl und Kupfer. Und weil es sowohl öl- als auch wasserabweisende Eigenschaften hat, wird das Material als superamphiphob bezeichnet.
Neelesh Patankar , ein Maschinenbauingenieur an der Northwestern University, sagt, die Arbeit sei ein wichtiger Schritt, um einen kommerziell tragfähigen Weg zur Herstellung solcher Materialien zu finden. Es sei bekannt, welche Oberflächenchemie sowie Geometrien funktionieren würden, um Öle abzustoßen, sagt er. Diese Arbeit zeigt einen guten Weg, solche Beschichtungen mit den richtigen praxisrelevanten Eigenschaften herzustellen.
Es gibt einen überraschend großen Bedarf an Oberflächen, die Dinge abstoßen. So könnten beispielsweise Platten gebaut werden, die Wasser – oder ölige Flecken oder Rückstände – so effizient abweisen, dass Regen sie abspült und sie so selbstreinigend macht. Oder sogar biomedizinische Produkte, einschließlich mikrofluidischer Technologien, die nicht durch an ihnen haftende wässrige oder fettige Materialien verstopfen. Ich suche eine Brillenbeschichtung, die aber auch wichtige Anwendungen in der Medizin haben könnte, sagt Doris Vollmer , ein Materialwissenschaftler in der Max-Planck-Gruppe. Für viele Anwendungen wünschen sich die Menschen eine Ölabweisung. Es reicht nicht aus, dass etwas wasserabweisend ist.
Während die Forscher Kerzenruß verwendeten, sind Rußpartikel ähnlicher Größe im Handel erhältlich, was den Weg zu einer möglichen Herstellbarkeit in großem Maßstab und zu geringen Kosten ebnet, fügt sie hinzu. Die Gruppe prüft kommerzielle Partnerschaften, um die Technologie voranzutreiben.
Ambarish Kulkarni, Maschinenbauingenieur im Advanced Nanotechnology-Programm bei GE Global Research – das auch nach superamphiphoben Materialoberflächen sucht – sagt, der Artikel beschreibe eine neuartige Methode zu deren Herstellung. Die Forscher von GE haben herausgefunden, dass solche Oberflächen Antifouling-Vorteile in Gasturbinen bieten und sie möglicherweise sauberer und effizienter betreiben.
Da die Max-Planck-Methode es den Materialien erlaubt, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, könnten sich Anwendungsgebiete erschließen, die bisher unerreichbar waren, fügt er hinzu.
GE hat mehrere Projekte in diesem Bereich, einschließlich der Bemühungen, superhydrophobe Rauhigkeit auf die Oberfläche gängiger Thermoplaste zu bringen, die beispielsweise für Produkt- und Lebensmittelverpackungen verwendet werden.
Ein Problem der Max-Planck-Beschichtung besteht darin, dass sie im Gegensatz zu aufgerauten Oberflächen, die für verschiedene wasserabweisende Oberflächen verwendet werden, zerkratzt oder abgenutzt werden kann. Um ölbeständige Brillen zu machen, die auch wirklich kratzfest sind, muss die Materialtechnik also noch weiterentwickelt werden, räumt Vollmer ein. Sie arbeitet auch an Möglichkeiten, die Beschichtung in chemischen Lösungen herzustellen, anstatt das anfänglich verwendete Aufdampfverfahren, das Hochtemperaturöfen erfordert.