Polymerforschung Mit Kerzenruß machen Forscher Oberflächen fettabweisend

Klare Sicht durch Brillen oder auf Touchscreens: Deutsche Forscher haben basierend auf Kerzenruß eine neue Beschichtung entwickelt, an der weder Wasser noch Öl haftet.

© Science/AAAS

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Das bekannte Lotusblatt ist lediglich wasserabweisend: Tropfen perlen ab und nehmen den Schmutz mit. Öl hingegen breitet sich auf einem Lotusblatt aus. Auf der neuen Oberfläche, die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) entwickelt haben, hat auch Öl keine Chance mehr sich auszubreiten. "Superamphiphobisch" nennen die Forscher diese fett- und wasserabweisende Schicht. Grundlage dafür ist simpler Kerzenruß. Ihre Entwicklung stellen die Wissenschaftler im Magazin Science vor.

Wegen ihrer geringen Oberflächenspannung – einem Maß für die Anziehung zwischen den Molekülen der Oberfläche und denen im Inneren – neigen Öl und anderen Kohlenwasserstoffe dazu, sich auf Flächen auszubreiten. Wasser hat hingegen eine hohe Oberflächenspannung und formt deswegen eher Tropfen.

Wenn eine Oberfläche Wasser und Fett abstoßen soll, darf die Flüssigkeit nur sehr wenige Kontaktpunkte zu ihr haben. So ist gewährleistet, dass der "Roll-off"-Winkel, also der Winkel, um den eine Fläche geneigt werden muss, damit ein Flüssigkeitstropfen herunter rollt, möglichst klein ist. "Viele Flächen kann man um 20 bis 50 Grad neigen und der Tropfen bewegt sich nicht", sagt Hans-Jürgen Butt, Polymerforscher am MPIP und Mitautor der Studie. "Mit unserer Beschichtung reicht es, die Fläche nur um weniger als zehn Grad zu neigen."

Die Forscher machten einen Abdruck der Ruß-Struktur aus Silikat

Dass ein Tropfen dann herunterrollt, liegt außerdem daran, dass er auf der entwickelten Beschichtung besonders wenig Kontakt zur Oberfläche fassen kann. Denn durch seine mikroskopische Struktur von langen Ketten aus kleinen Kügelchen verhindert der Kerzenruß, dass die Flüssigkeit tief in die Schicht eindringen kann: Die Tropfen können die Einschnürung zwischen zwei Kügelchen nicht überwinden. "Durch die wenigen Kontaktpunkte ist es, als würde der Tropfen auf Luft sitzen, deswegen löst er sich dann auch leichter ab", sagt Butt.

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Die Kette von aneinandergereihten Kugel-förmigen Molekülen verhindert, dass die Flüssigkeit tief in die Schicht eindringen kann. Denn sie kann die Einschnürungen zwischen zwei Kugeln nicht überwinden.

Die Produktion des neuen Materials funktioniert ähnlich wie das Basteln von Gips-Masken. Während man dafür einen aufgeblasenen Luftballon mit Verbänden und Gips zukleistert, beschichteten die Wissenschaftler ihre Rußschicht mit Silikat: 20 Stunden lang wurden Objektträger in Silikatdampf gehalten, der sich wie ein Mantel über die Rußstrukturen legt.

Beim Gips-Masken-Basteln würde man als nächstes den Luftballon unter dem getrockneten Gips zerstechen, um nur die Maske zu erhalten. Die Wissenschaftler verbrannten im zweiten Schritt den Ruß. Dieser entwich als CO₂ durch den porösen Silikatmantel, dem die 600 Grad Celsius nichts anhaben können. Zurück bleibt bei dieser Methode ein Silikatabdruck, der die Struktur von Kerzenruß hat und somit Fett abstößt. Um das Material zusätzlich wasserabweisend zu machen, überzogen die Forscher den Mantel mit einem fluorhaltigen Molekülgemisch.

"Als nächsten Schritt werden wir versuchen, den Silikatmantel stabiler zu machen", sagt Butt. Das Ziel ist, eine Oberfläche zu schaffen, die man mehrmals reinigen kann, ohne sie zu zerstören.

Bislang gab es nur Beschichtungen, die entweder Wasser oder Öl abweisen. Das neue vergleichsweise günstige Material könnte im Alltag zum Beispiel auf Brillengläsern, Touchscreens oder Edelstahloberflächen eingesetzt werden. Auch Solarzellen oder schwer erreichbare Fenster könnten damit beschichtet werden, was die Reinigung einfacher machen würde.