Benetzung von Oberflächen numerisch untersucht

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Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik

Multiskalenmodellierung

Um das Benetzungsverhalten fluorierter Diamantoberflächen zu bestimmen und mit der Anbindungsstärke einzelner Wassermoleküle in Verbindung zu setzen, wurden die Ergebnisse der quantenmechanischen Berechnungen in ein klassisches Kraftfeldmodell übergeführt, sodass die Simulation von Wassertröpfchen mit einer Vielzahl von Wassermolekülen möglich wurde. Durch diesen Multiskalenansatz zeigte sich ein direkter Zusammenhang der Anbindungsstärke einzelner Wassermoleküle mit dem Kontaktwinkel. Während die vollständig fluorierte Diamantoberfläche einen großen Kontaktwinkel aufweist, ist dieser im Fall von gemischt Wasserstoff-/Fluorterminierten Oberflächen wesentlich kleiner. Allgemein ist der Kontaktwinkel umso größer, je weniger das Wasser an der entsprechenden Oberfläche anhaftet.

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Kann die schwache Wechselwirkung von Wassermolekülen mit vollständig fluorierten Diamantoberflächen auch auf molekulare perfluorierte Kohlenstoffe übertragen werden und somit die polare Hydrophobie erklären? Hierzu wurde das Molekül 1-Perfluorododecanthiol näher untersucht, welches zur Hydrophobierung von Oberflächen eingesetzt wird. Wie erwartet, weist dieses vollständig fluorierte Molekül an der CF₃-Endgruppe eine sehr schwache Wechselwirkung mit Wasser und ebenfalls ein sehr schnell abfallendes elektrisches Feld auf. Ersetzt man nun aber in Analogie mit der Diamantoberfläche ein Fluoratom der Endgruppe mit Wasserstoff und stört damit die Anordnung der C-F-Dipole, so hat das elektrische Feld lokal eine größere Ausdehnung. Dies führt zu einer um den Faktor 8 verstärkten elektrostatischen Wechselwirkung mit Wassermolekülen.

Fazit

Es konnte eine alte Erklärungslücke zum hydrophoben Verhalten polarer Materialien geschlossen werden. Bei dichtgepackten polaren Bindungen wie in perfluorierten Kohlenstoffen kommt es zu einem sehr schnellen Abfall des elektrischen Feldes an der Oberfläche von Festkörpern bzw. Molekülen, wodurch die Wechselwirkung mit Wasser stark unterdrückt wird. Das Verfahren ist jedoch nicht nur in der Grundlagenforschung hilfreich, sondern kann auch direkt in Anwendungen zum Einsatz kommen, um die Wechselwirkung zwischen Oberflächen und Flüssigkeiten besser einstellen zu können.

* Dr. L. Mayrhofer: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, 79108 Freiburg

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