Wie die Kresse gegen Nässe: Wissenschaftler entdecken wasserabweisendes Material

Materialforscher haben einen Stoff gefunden, der Wasser noch besser abweist als alle bisher bekannten Stoffe. Dabei machen sie sich eines bisher wenig beachteten Prinzips zunutze: Die Veränderung der Oberflächenstruktur. Das Anwendungsfeld für Produkte ist riesig.

Einmal mehr inspiriert die Natur zur Nachahmung durch die Wissenschaft: Nachdem der Oberflächenstoff der Lotus-Blüte als bisher bester Schutz gegen Nässe galt, muss er diesen Rekord an ein Material abtreten, das Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technogoly entwickelt haben. Dabei ist jedoch nicht der Stoff und seine chemischen Eigenschaften entscheidend, sondern seine Bearbeitung: Die Oberfläche des Materials weist feine Rillen auf, wie sie auch die Brunnenkresse und der Morpho, eine tiefblaue Schmetterlingsgattung, aufweisen.

Obwohl man das Ansammeln von Wasser in den Räumen dieser Rillen vermuten würde, erhöhen diese Rillen die Hydrophobie, die Fähigkeit, Wasser abzuweisen. Die Forscher bestätigten bei behandeltem Silikon eine Steigerung der Hydrophobie um 40 Prozent gegenüber dem Zustand ohne Rillen.

Die Erkenntnis bewirkte einen Paradigmenwechsel in der Erklärung der Wasserabweisungsfähigkeit: Weniger die Kontaktfläche als vielmehr die Kontaktdauer zwischen Wasser und bewässertem Material ist für die Aufnahme von Tropfen die letztlich ausschlaggebende Größe. Diese wiederum unterliegt dem Rückprallwinkel und dem anschließenden Verhalten des Wassertropfens.

Bei herkömmlichen Materialien plättet sich der Tropfen beim Aufprall für einen winzigen Moment vollständig aufgrund der Polarität des Wassers. Diese „Pfannkuchen“-Form, wie die Wissenschaftler sie nennen, sorgt für einen hohen Kontakt mit dem Material, der sich beim Rückprall in einer hohen Trägheit niederschlägt. Das wiederum bewirkt eine geringe zurückgelegte Strecke beim Rückprall, dessen Winkel nahe 90 Grad liegt. Somit verweilt das Wasser an der gleichen Stelle und sammelt sich an.

Die von den Forschern hinzugefügten Rillen bewirken ein für Wasser eher untypisches Verhalten: Statt einen Pfannkuchen zu bilden, teilt es sich in zwei in der Menge nahezu symmetrische Tropfen. Dadurch kommt es nur zu einem Minimum an Kontaktfläche mit dem Material. Außerdem ist der Rückprallwinkel extrem spitz, die Flucht der Tropfen erfolgt horizontal statt vertikal und folglich drängen sie sich zur Seite weg. An der traktierten Stelle sammelt sich sehr wenig Wasser.

Wir glauben, dass dies die am stärksten wasserabweisenden Oberflächen sind“, so Forschungsteam-Mitglied Kripa Varanasi. „Jahrelang hat die Industrie den Lotus nachgeahmt. Jetzt sollten sie mal darüber nachdenken, Kresse und Schmetterlinge nachzuahmen.“

Das Anwendungsfeld von wasserabweisenden Materialien ist riesig. Was bei der Bekleidung eine Frage des Komforts ist, wird in der Luftfahrt zur Frage der Effizienz: Von Schaufelblättern mit modifizierter Oberfläche flieht das Wasser so schnell, dass es bei Temperaturen unter Null nicht genug Zeit zur Kristallisierung hat. Somit können Bauteile in Flugzeugen, Kraftwerken und Windenergieerzeuger gegen Vereisung immunisiert werden.

Die Wissenschaftler haben mit einer Steigerung auf bis zu 80 Prozent Wasserabweisung ambitionierte Ziele. Als natürliche Grenze ihrer Innovation sehen sie nicht den technischen Aufwand der Rillen-Modifikation, sondern die natürliche Materialalterung: Werden die Rillenträger, oft veränderliche Polymere, durch Hitze und Abnutzung brüchig, werden die Rillen beschädigt und der Effekt geht verloren. Alles eine Frage des Materials – so Varanasi: „Durch die Kombinierung unserer Maserungen mit dauerhaften Materialien wie Keramik oder Metall können wir die Materialermüdung überwinden.“

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