Eine neue lösungsmittelfreie Technik könnte die Herstellung von superhydrophoben und Anti-Icing-Materialien vereinfachen. Die Technik, mit der nahezu jede Oberfläche extrem wasserabweisend gemacht werden kann, hat zahlreiche potenzielle Anwendungen, darunter – aber nicht beschränkt auf – Flugzeugflügel, biomedizinische Geräte, Luftwiderstandsreduzierungssysteme, Batterieelektroden und Katalysatoroberflächen.
Superhydrophobe Materialien sind definiert als solche, die Wassertropfen mit einem Kontaktwinkel (Winkel, in dem die Wasseroberfläche auf die Materialoberfläche trifft) von mehr als 150° abstoßen. Diese Materialien haben auch eine niedrige Oberflächenenergie sowie eine raue Oberfläche im Mikrometermaßstab.
Gegenwärtige Techniken zur Herstellung solcher Materialien sind jedoch komplex und beinhalten oft die Verwendung aggressiver Chemikalien. Ein Team von Forschern unter der Leitung von James-Tour und CFred Higgs III von der Rice University in den USA hat nun ein einstufiges, lösungsmittelfreies Schleifverfahren entwickelt, das superhydrophobe Oberflächen mit einem Kontaktwinkel von fast 164° erzeugen kann.
Die Forscher verwendeten handelsübliches Sandpapier, um ausgewählte Pulverzusätze wie Graphen, Molybdändisulfid, Teflon und Bornitrid in die Oberflächen von Materialien wie Teflon, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polydimethylsiloxan einzubringen. Das Schleifpapier wurde aus Aluminiumoxid mit Körnungen zwischen 180 und 2000 hergestellt.
Tribofilmbildung
„Beim Einsanden begünstigt das Einbringen von Pulver zwischen die Reibflächen die Bildung eines Tribofilms“, erklärt Tour. „Ein Tribofilm bildet sich in einer chemischen Reaktion auf gegeneinander gleitenden Oberflächen und funktionalisiert die Oberfläche, um Wasser noch stärker abzuweisen.“
„Das Schleifen induziert auch strukturelle Veränderungen sowie einen Stoff- und Elektronentransfer, um die Oberflächenenergie der Substrate zu senken“, fügt Higgs hinzu.
Laut Tour können eine Vielzahl von Oberflächen in wenigen Minuten superhydrophob gemacht werden Physik-Welt. Dies unterstreicht die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der geschliffenen Oberflächen.
„Flugzeughersteller wollen nicht, dass sich Eis auf ihren Flügeln bildet, Schiffskapitäne wollen nicht, dass der Luftwiderstand von anhaftenden Meeresmikroben sie verlangsamt, und biomedizinische Geräte müssen Biofouling vermeiden, bei dem sich Bakterien auf nassen Oberflächen ansammeln“, sagt Higgs. „Robuste, langlebige superhydrophobe Oberflächen, die mit dieser einstufigen Sand-In-Methode hergestellt werden, können viele dieser Probleme lindern.“
Superhydrophobe Oberflächen werden härter
Higgs stellt fest, dass andere Techniken, die zur Erzeugung hydrophober Oberflächen verwendet werden, nicht auf große Oberflächenbereiche, wie die auf Flugzeugen und Schiffen, skaliert werden können. „Einfache Anwendungstechniken wie die hier entwickelte sollten skalierbar sein“, sagt er.
Robuste Superhydrophobie
Die superhydrophoben Materialien sind extrem robust. Tatsächlich blieben sie auch nach 100 Klebeband-Ablösetests und nach 130-stündiger Einwirkung von 24°C an der Luft wasserabweisend. Auch ein 18-monatiges Aussetzen in der heißen texanischen Sonne beeinträchtigte ihre Eigenschaften nicht. Und wenn die Materialien zu versagen beginnen, können sie leicht aufgefrischt werden, indem sie einfach mit denselben Pulverzusätzen erneut geschliffen werden.
Die Rice-Forscher wollen ihre Sand-In-Technik nun auf eine ganz andere Art von Substrat anwenden – die Metalloberflächen, die zur Herstellung wiederaufladbarer Batterien verwendet werden. Tatsächlich berichteten sie kürzlich von Tests an Lithium- und Natriumfolien. „Die Rolle des Tribofilms bestand hier darin, den einströmenden Ionenfluss im Batterieelektrolyt zu regulieren, um das Metallabscheidungs-/Ablöseverhalten während des Batteriezyklus zu verbessern“, erklärt Tour.
Die Forscher beschreiben ihre Arbeit in ACS Angewandte Materialien.
