Wasser perlt ab: Forschungsteam entwickelt extrem wasserabweisendes Material
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Indian Institute of Technology Guwahati (IITG) haben ein innovatives Material entwickelt, das Wasser nahezu vollständig abweist.
Links: Ein poröses Substrat mit niedrigem Wasserkontaktwinkel, das viel Flüssigkeit aufnimmt. Rechts: Das neue Material hat einen hohen Wasserkontaktwinkel und ist daher fast vollständig wasserabweisend.
Foto: KIT
Dafür modifizierten sie metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs), spezielle Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften, durch den Einsatz von Kohlenwasserstoffketten. Das Ergebnis sind superhydrophobe Oberflächen, die besonders wasserabweisend und widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse sind. Solche Materialien könnten beispielsweise für selbstreinigende Beschichtungen in der Automobilindustrie oder Architektur genutzt werden. Die Ergebnisse der Forschung wurden im Fachjournal Materials Horizons veröffentlicht.
MOFs (Metall-Organische Gerüstverbindungen) sind Netzwerke aus Metallen und organischen Molekülen, die wie ein Schwamm viele kleine Hohlräume enthalten. Diese Materialien haben eine beeindruckende innere Oberfläche: So könnten zwei Gramm davon, entfaltet, die Fläche eines Fußballfeldes bedecken. Dadurch können sie für die Speicherung von Gasen, die Abscheidung von Kohlendioxid oder neue Technologien in der Medizin genutzt werden.
Zeichen für starke Wasserabweisung
Auch die Außenflächen dieser kristallinen Materialien haben interessante Eigenschaften. Das Forschungsteam befestigte Kohlenwasserstoffketten auf dünnen MOF-Schichten. Dabei zeigte sich ein Wasserkontaktwinkel von über 160 Grad – ein Zeichen für starke Wasserabweisung, denn je größer der Winkel zwischen einem Wassertropfen und der Oberfläche ist, desto wasserabweisender ist das Material.
„Unsere Methode erzeugt superhydrophobe Oberflächen mit Kontaktwinkeln, die deutlich höher sind als die anderer glatter Oberflächen und Beschichtungen“, erklärt Professor Christof Wöll vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT. „Zwar wurden die Benetzungseigenschaften von MOF-Pulverpartikeln erforscht, aber die Verwendung homogener MOF-Dünnschichten für diesen Zweck ist ein bahnbrechendes Konzept.“
Das Team führt die Ergebnisse auf die bürstenartige Anordnung der Kohlenwasserstoffketten auf den MOFs zurück. Diese Ketten können nach der Befestigung auf den MOFs besonders gut „Knäuel“ bilden – eine Art unordentliche Struktur, die als „Zustand hoher Entropie“ bekannt ist und die wasserabweisenden Eigenschaften verstärkt. Laut den Forschenden wurde dieser Zustand auf anderen Materialien bei ähnlichen Ketten nicht beobachtet.
Neue Erkenntnisse zu Perfluorierung und Oberflächenrauheit
Interessanterweise wurde der Wasserkontaktwinkel nicht durch eine Perfluorierung der Kohlenwasserstoffketten erhöht, bei der Wasserstoffatome durch Fluor ersetzt werden. Während diese Methode bei Materialien wie Teflon die Wasserabweisung verbessert, verringerte sie beim neuen Material den Kontaktwinkel sogar deutlich. Computersimulationen zeigten, dass perfluorierte Moleküle – im Gegensatz zu Kohlenwasserstoffketten – nicht den energetisch günstigen Zustand hoher Entropie erreichen können.
Das Forschungsteam veränderte zudem die Oberflächenrauheit ihrer SAM@SURMOF-Systeme im Nanometerbereich. Dadurch konnten sie die Haftung weiter verringern. Wassertropfen rollen bereits bei sehr kleinen Neigungswinkeln ab, wodurch die wasserabweisenden und selbstreinigenden Eigenschaften noch einmal deutlich verbessert werden.
„Unsere Arbeit bietet auch eine umfassende theoretische Analyse, die unerwartete experimentelle Verhaltensweisen mit dem Zustand hoher Entropie der an MOF-Filme angehefteten Moleküle verknüpft“, sagt Professor Uttam Manna von der Abteilung für Chemie des IITG.
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