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Anhaftung von Schmutzpartikeln Selbstreinigende Oberflächen unter dem Mikroskop

| Autor / Redakteur: Dr. Christian Schneider* / Christian Lüttmann

Eine Scheibe, die sich im Regen selbst reinigt: Mit super-hydrophoben Oberflächen ist dies möglich. Sie lassen aufgrund ihrer mikroskopischen Rauigkeit Wasser einfach abperlen – zusammen mit dem Schmutz. Wie sich Wassertropfen auf solchen Oberflächen im Detail verhalten, haben nun Max-Planck-Forscher mittels Lasermikroskopie gezeigt.

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Wassertropfen auf einer superhydrophoben Oberfläche können Schmutzpartikel aufnehmen
Wassertropfen auf einer superhydrophoben Oberfläche können Schmutzpartikel aufnehmen
(Bild: MPI-P, Lizenz CC-BY-SA)

Mainz – Alle Oberflächen in unserem täglichen Leben werden über die Zeit mit Partikeln wie Staub, Pollen oder Mikroorganismen verdreckt. Daher sind Oberflächen wünschenswert, die einfach gereinigt werden können, d. h. an denen Schmutzpartikel beispielsweise durch Regen entfernt werden. Oberflächen, von denen Wassertropfen einfach abperlen, sind hierfür vielversprechende Kandidaten. Aufgrund der geringen Haftung von Wassertropfen werden sie „superhydrophob” – also super-wasserabweisend – genannt. Diese Oberflächen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Mikro-Rauigkeit aufweisen, d. h. eine Rauigkeit im Bereich von einem Millionstel Meter. Somit ist die Kontaktfläche zu Wassertropfen deutlich reduziert, was zu den selbstreinigenden Eigenschaften der Oberfläche führt.

Wassertropfen läuft auf Schmutzpartikeln wie auf Stelzen

Lasermikroskopaufnahme: Ein Wassertropfen (blau) nimmt hydrophile Ppartikel (lila) von einer super-hydrophoben Oberfläche auf.
Lasermikroskopaufnahme: Ein Wassertropfen (blau) nimmt hydrophile Ppartikel (lila) von einer super-hydrophoben Oberfläche auf.
(Bild: Vollmer et al., Screenshot aus „Movie S2“ von https://advances.sciencemag.org/content/6/3/eaaw9727/tab-figures-data)

Lange Zeit war jedoch unverstanden, wie der Effekt der Selbstreinigung auf mikroskopischer Ebene genau funktioniert und wie Oberflächen hergestellt werden müssen, um möglichst effektiv zu funktionieren. Wissenschaftler um Prof. Dr. Doris Vollmer und Dr. Rüdiger Berger vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) haben nun neue Einblicke in den Selbstreinigungsprozess gewonnen, indem sie eine solche Oberfläche mikroskopisch abgebildet haben. Mittels Lasermikroskopie untersuchten sie, wie ein über die Oberfläche rollender Tropfen Schmutzpartikel aufnimmt.

Hiermit zeigten die Forscher, dass ein Tropfen auf einer mit Schmutzpartikeln verunreinigten superhydrophoben Oberfläche im wesentlichen nur Kontakt mit den Schmutzpartikeln selbst hat – also kaum einen Kontakt mit der Oberfläche herstellt. Dazu ist aber die Größe der Partikel im Vergleich zu typischen Längenskalen der Oberflächen-Rauigkeit essenziell. „Eine Oberfläche funktioniert effektiv, wenn die Längenskala bzw. Porengröße der superhydrophoben Oberfläche kleiner ist als der Schmutzpartikel selbst“, sagt Vollmer. „Dann wird Schmutz, z. B. durch Regen, komplett entfernt.“ Abhängig von der Oberfläche kann die Partikelgröße zwischen einigen zehn Nanometern und mehreren Mikrometern variieren.

Kraftmessung enthüllt die Vorliebe der Partikel

In einem weiteren Schritt haben die Wissenschaftler ihre mikroskopisch gemachten Entdeckungen mithilfe von Kraftmessungen verifiziert. Dazu haben sie eine am MPI-P entwickelte hochsensitive Messmethode verwendet, mit der sich Reibung von Tropfen messen lässt. So zeigten die Forscher, dass die Kraft, die für die Fortbewegung des Tropfens notwendig ist, sich aus der Anzahl an Schmutzpartikeln sowie der Haftkraft zwischen den Partikeln und der Oberfläche ergibt.

Diese sehr genauen Kraftmessungen ermöglichten eine weitere wichtige Aussage: Partikel werden nur dann effektiv entfernt, wenn sie besser am Tropfen haften als an der Oberfläche. Mit den Erkenntnissen wollen die Wissenschaftler das Design schmutzabweisender Oberfläche erleichtern. Die aufgestellten Regeln dazu haben sie mit Partikeln unterschiedlichster Größe und Art verifiziert. So fanden sie etwa heraus, dass sich Staubpartikel ähnlich wie kohlenstoffhaltige Substanzen, z.B. Ruß, verhalten – trotz stark unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung.

Originalpublikation: Geyer, F.; D'Acunzi, M.; Sharifi-Aghili, A.; Saal, A.; Gao, N.; Kaltbeitzel, A.; Sloot, T.-F.; Berger, R.; Butt, H.-J.; Vollmer, D.: When and how self-cleaning of superhydrophobic surfaces works, Science Advances, Vol 6, No. 3, 15 January 2020; DOI: 10.1126/sciadv.aaw9727

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

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