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Neue Technik erlaubt lückenlosen Sensordruck

Keine Chance für Kaffeeringe

| Autor / Redakteur: Meike Drießen* / Christian Lüttmann

Wenn Tropfen eintrocknen, sammeln sich ihre Inhaltsstoffe in einem Ring.
Wenn Tropfen eintrocknen, sammeln sich ihre Inhaltsstoffe in einem Ring. (Bild: RUB, Kramer)

Wenn ein Kaffeetropfen auf dem Tisch trocknet, hinterlässt er einen dunklen Ring. Dieses physikalische Phänomen tritt auch bei gleichmäßigen funktionalen Sprühbeschichtungen auf. Mit einem Trick haben Forscher der Ruhr-Universität Bochum nun aber die Ringbildung verhindert und eröffnen damit neue Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel für den Druck von Sensoren oder Sonnenkollektoren.

Bochum – Sprüht man in Wasser gelöste Stoffe auf eine Oberfläche und lässt sie trocknen, entsteht eine löchrige Schicht. Denn die Inhaltsstoffe wandern beim Trocknen an den Rand der Wassertröpfchen. Funktionale Oberflächenbeschichtungen waren daher auf diese Art bislang unmöglich herzustellen. Mit einem Trick ist es Forschern um Prof. Dr. Nicolas Plumeré und Prof. Dr. Thomas Happe von der Ruhr-Universität Bochum (RUB) jetzt gelungen, eben doch gleichmäßige Beschichtungen durch Aufsprühen zu realisieren.

Der Coffee Ring Effect

Das Phänomen der Ringbildung beim Trocknen von Tröpfchen ist wahrscheinlich jedem aus dem Haushalt bekannt: Wenn ein verkleckerter Kaffeetropfen auf dem Tisch trocknet, bleibt ein dunkler Ring mit einem Loch in der Mitte zurück. Die Inhaltsstoffe des Kaffees wandern mit dem Wasserstrom innerhalb des Tropfens an dessen äußere Grenze zwischen Tisch, Tropfen und Luft, wo die Flüssigkeit verdunstet.

Dieser so genannte Coffee Ring Effect ist schuld daran, dass sich im Wasser gelöste Inhaltsstoffe ungleichmäßig auf einer Oberfläche verteilen. „Empfindliche High-Tech-Oberflächenbeschichtungen mit bestimmten Eigenschaften konnte man deswegen auf diese Weise bisher nicht herstellen“, sagt Plumeré.

Der Trick: Gefangen im Schwefelnetz

Die Beschichtung von Oberflächen mittels Besprühen durch kleinste Tröpfchen mit darin gelösten Materialien ist für das Trägermaterial aber wesentlich schonender als viele andere Methoden. Um sie nutzen zu können, haben Plumeré und seine Kollegen eine Methode entwickelt, die den Effekt umgeht.

Nicolas Plumeré, Li Huaiguang und Thomas Happe (von links) haben den Coffee Ring Effect ausgetrickst.
Nicolas Plumeré, Li Huaiguang und Thomas Happe (von links) haben den Coffee Ring Effect ausgetrickst. (Bild: RUB, Kramer)

Dazu versahen sie die im Wasser gelösten Moleküle mit einer kleinen Schwefelgruppe, die so verpackt ist, dass sie nur im Kontakt mit Sauerstoff aktiv wird. Trocknet ein Tröpfchen der Lösung an der Luft, kommt es zur chemischen Reaktion: Die Schwefelgruppe zwingt dann die im Wasser gelösten Moleküle dazu, sich miteinander zu verbinden, sodass sie ein Netz bilden.

„Der Tropfen ist dann nicht mehr flüssig, sondern eine Art Gel“, veranschaulicht Plumeré. Die Moleküle können damit nicht mehr an den Rand des Wassertropfens wandern und bleiben während des Trocknens an Ort und Stelle. So entsteht eine gleichmäßige Schicht ohne Löcher. Die Schwefelgruppe beeinflusst die Funktionalität der späteren Beschichtung nicht.

Solarkollektoren direkt auf das Dach drucken?

Die Technik der RUB-Forscher erlaubt es nach deren Angaben, selbst senkrechte Oberflächen sehr gleichmäßig mit in Wasser gelösten Materialien zu beschichten. Damit gelang es den Wissenschaftlern unter anderem bereits, einen Nitratsensor gleichmäßig, lückenlos und reproduzierbar mit hochempfindlichen Enzymen zu beschichten. Dies ist jedoch nur eines von vielen Beispielen, wie die neue Methode eingesetzt werden kann. „Es sind zahlreiche weitere Anwendungen denkbar“, sagt Plumeré. „So wäre es zum Beispiel möglich, Solarkollektoren praktisch direkt auf Dächer aufzudrucken.“

Originalpublikation: Huaiguang Li et al: Preventing the coffee-ring effect and aggregate sedimentation by in-situ gelation of monodisperse materials. Chemical Science, 2018; DOI: 10.1039/C8SC03302A

* M. Drießen, Ruhr-Universität Bochum, 44801 Bochum

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