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07.12.2015

Schmutzabweisende Oberflächen durch Beschichtung mit Polydimethylsiloxan


Oberflächen, auf denen weder Schmutz noch Graffiti haften, die leicht zu reinigen sind und von denen Flüssigkeiten einfach abperlen, wie bei der viel zitierten Lotus-Blume, stehen weit oben auf der Wunschliste von Technik und Wissenschaft. Durchschlagenden Erfolg hatte noch keine der bisherigen Entwicklungen. Amerikanische Wissenschaftler stellen nun einen neuen Ansatz für transparente schmutzabweisende Beschichtungen vor, die sich besonders einfach und rasch auftragen lassen. Sie weisen sowohl Wasser als auch ölige Flüssigkeiten ab und sind auch bei höheren Drücken und Temperaturen stabil.

An flüssigkeitsabweisenden Oberflächen wird schon seit Jahrzehnten geforscht. Die ersten Ansätze waren Beschichtungen mit Fluorpolymeren (z.B. Teflon) und Silikonen. In jüngerer Vergangenheit wurde dann versucht, die mikro- und nanostrukturierten Oberflächen der Natur nachzuahmen. Bei höherem Druck, etwa mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Tropfen, können Flüssigkeiten jedoch in die Vertiefungen eindringen. Ölige Rückstände sind dann oft kaum zu entfernen. Außerdem verkratzen derartige Oberflächen leicht und Mikroorganismen können aufwachsen. Eine weitere Methode, bei der flexible Ketten auf glatte Oberflächen gebunden werden und sich dann wie eine Flüssigkeit verhalten, ist bisher nur sehr aufwändig umzusetzen.

Liming Wang und Thomas J. McCarthy von der University of Massachusetts (USA) haben jetzt eine einfache Methode entwickelt, um solche sogenannten SOCAL-Oberflächen (SOCAL: slippery omniphobic covalently attached liquid) herzustellen. Innerhalb von Minuten waren Glasobjektträger beschichtet: Einfach in eine Lösung tauchen, trocknen lassen und abspülen - fertig ist eine omniphobe Beschichtung, d.h. die jede Art von Flüssigkeit abweist. Die Lösung enthält ein Siloxan-Monomer (Me2Si(OMe)2) und Schwefelsäure in Isopropanol. Beim Eintauchen bildet sich ein feiner Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche, der aber erst während des Trocknens polymerisiert: Unter dem katalytischen Einfluss der Schwefelsäure wachsen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Ketten auf, die fest auf der Oberfläche verankert sind. PDMS ist ein bioverträgliches Silikonöl, das auch in der Medizin Anwendung findet.

Die Beschichtung ist sehr homogen, was wichtig für die Omniphobizität ist. Wässrige, aber auch organische Flüssigkeiten rollen von einem so beschichteten Objektträger bereits bei einem minimalen Neigungswinkel ab, ohne eine Spur zu hinterlassen. Die PDMS-Ketten sind beweglich wie in einer Flüssigkeit. Bereits geringste Bewegungen der Ketten reichen aus, um einem rollenden Tropfen jeden Widerstand aus dem Weg zu räumen. Hexan etwa gleitet bereits bei 1° Neigung ab, obwohl dessen Oberflächenspannung geringer ist als die des PDMS.

Die Beschichtungen sind transparent, thermisch stabil und robust. Ihre herausragenden omniphoben Eigenschaften sind auch noch nach einem Jahr Lagerung erhalten. Dank der einfachen Herstellung ist eine Anwendung im technischen Maßstab denkbar.

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Quelle: Angewandte Chemie




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