Materialforschung: Glatt wie die tückischen Kannen

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Eine der Natur abgeschaute Oberflächenbeschichtung weist Flüssigkeiten ab und könnte zu Fortschritten beim Treibstofftransport, bei antibakteriellen Oberflächen und weiteren Anwendungen führen. Nach einem Regen bieten die Ränder der kannenförmig umgestaltete Blattspreiten von fleischfressenden Kannenpflanzen (Nepenthes u. a.) praktisch keinerlei Halt. Ameisen, Spinnen und sogar kleine Frösche schlittern ungebremst in die saure Verdauungsflüssigkeit am Boden der Kannen.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern an der Harvard University hat nun ein Material entwickelt, dass diese Eigenschaft nachahmt. Es weist so gut wie jede Form von Flüssigkeit ab. Das betrifft auch Blut und Öl und funktioniert sogar in rauen Umgebungen wie hohem Druck oder Frost.

Die von der Natur inspirierte Technologie soll beim Umgang mit Flüssigkeiten in der Medizin, beim Kraftstofftransport sowie bei Maßnahmen gegen Fäulnis und Vereisung eingesetzt werden. Sie könnte sogar zu sich selbst reinigenden Fenstern und verbesserten optischen Geräten führen.

„Angeregt durch die Kannenpflanze haben wir eine neue Beschichtung entwickelt, die ihren natürlichen und synthetischen Pendants überlegen ist und die eine einfache und vielseitige Lösungen für das Abweisen von Flüssigkeiten und Festkörpern bereitstellt,“, sagt Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson Professor of Material Science an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Im Gegensatz dazu nehmen die aktuellen flüssigkeitsabweisenden Oberflächen die Blätter der Lotosblumen zum Vorbild. Diese weisen das Wasser durch winzige Texturen ab. Die Tröpfchen perlen auf einer Luftschicht an den Papillen auf der Oberfläche ab, ohne sich in den Zwischenräumen der Textur festhalten zu können. Aber dieser so genannte Lotoseffekt funktioniert bei organischen oder komplexen Flüssigkeiten nicht gut. Und wenn die Oberfläche beschädigt ist oder extremen Bedingungen unterworfen ist, tendieren die Tropfen dazu, in die Vertiefungen der Textur einzusinken und dort haften zu bleiben. Schließlich hat es sich auch als teuer und schwierig herausgestellt, Oberflächen mit Lotoseffekt zu fertigen.

Die Kannenpflanze bedient sich eines vollkommen anderen Prinzips. Nicht unebene, von einer Luftschicht bedeckte Nanostrukturen weisen das Wasser ab, sondern eine eingeschlossene Wasserschicht selbst erzeugt die glatte Oberfläche. Der Effekt ähnelt dem Aquaplaning, wenn die Reifen auf dem Wasser gleiten und keinen Kontakt mehr zur Straße haben.

Nach diesem Vorbild haben die Wissenschaftler eine glatte Oberfläche geschaffen, indem sie ein nano-/mikrostrukturiertes poröses Material mit einer schmierigen Flüssigkeit infundiert haben. Sie nennen diese von der Natur angeregte Beschichtung SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces). SLIPS zeigt fast keine Retention, so dass schon eine geringe Neigung ausreicht, um die Flüssigkeit von der Oberfläche abgleiten zu lassen. Beschädigungen, beispielsweise Schnitte mit einem Messer, beeinträchtigen diese Fähigkeiten nicht, weil sich die Oberfläche selbst repariert. SLIPS kann im Unterschied zu Lotos-Oberflächen sogar durchsichtig gefertigt werden, was Anwendungen in der Optik nahelegt. Darüber hinaus bleiben die Eigenschaften des Materials auch unter unwirtlichen Bedingungen wie hohem Druck, Feuchtigkeit und Frost erhalten. Die Forscher haben auch Tests mit Ameisen durchgeführt: Ebenso wie an den Rändern der Kannen konnten sie sich nicht mit den Füßen festhalten, auch wenn ihnen das Schicksal der anschließenden Verdauung erspart blieb.

Die Forscher glauben ,dass das Material für Kraftstoff- und Wasserleitungen oder Schläuche in der Medizintechnik verwendet werden könnte, die auf Zug und Druck empfindlich reagieren und in ihrer Funktion von unerwünschten Interaktionen zwischen Flüssigkeit und Oberfläche beeinträchtigt werden. Zu weiteren möglichen Anwendungen gehören sich selbst reinigende Fenster, Oberflächen, die Bakterien und Fäulnis, etwa den Belag an Schiffsrümpfen, abweisen und Beschichtungen, auf denen keine Graffiti oder Fingerabdrücke hinterlassen werden können.

Bild: Schematische Darstellung der glatten Oberfläche und ihrer Fähigkeit, viele Flüssigkeiten abzustoßen. Von James C. Weaver und Peter Allen

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