Forscher der ETH Zürich haben eine ultradünne transparente Beschichtung auf Goldbasis entwickelt, die Sonnenlicht in Wärme umwandeln kann. Es kann auf Glas und andere Oberflächen aufgetragen werden, um ein Beschlagen zu verhindern. Zu den Anwendungen für die neue Beschichtung gehören Brillen und Autowindschutzscheiben.
Die Forscher der Gruppe um die ETH-Professoren Dimos Poulikakos und Thomas Schutzius weisen darauf hin, dass ihre Beschichtung mit Methoden hergestellt wird, die in der Herstellung weit verbreitet sind. In einem Reinraum werden durch Aufdampfen im Vakuum kleinste Mengen Gold auf die Oberfläche aufgebracht. Die Beschichtung wurde von der ETH Zürich zum Patent angemeldet.
Absorbiert einen großen Teil der Infrarotstrahlung
Das Besondere an der neuen Beschichtung ist, dass sie die Sonnenstrahlung selektiv absorbiert. Die Hälfte der im Sonnenlicht enthaltenen Energie liegt im Infrarotspektrum, die andere Hälfte im Spektrum des sichtbaren Lichts und der UV-Strahlung. „Unsere Beschichtung absorbiert einen großen Teil der Infrarotstrahlung und erwärmt sich dadurch – um bis zu 8 Grad Celsius“, erklärt ETH-Doktorand Iwan Hächler, der die Entwicklung vorangetrieben hat. Es absorbiert nur einen geringen Teil der Strahlung im sichtbaren Bereich, weshalb die Beschichtung transparent ist.
Die neue Beschichtung verfolgt einen anderen Ansatz als herkömmliche Antibeschlag-Methoden. Traditionell werden Oberflächen mit wasseranziehenden (hydrophilen) Molekülen beschichtet, was zu einer gleichmäßigen Ausbreitung von Kondenswasser führt. So wirken Antibeschlagsprays. Stattdessen heizt das neue Verfahren die Oberfläche auf und verhindert so, dass dort feuchtigkeitsbedingtes Kondenswasser entsteht. Es ist das gleiche Prinzip wie bei der Heckscheibe eines Autos. Aber, wie Hächler betont, ist die elektrische Heizung ineffizient und verschwendet Energie. Die neue Beschichtung hingegen wird passiv beheizt und benötigt tagsüber keine zusätzliche Energiequelle.
Dünner, biegsamer und effizienter
Poulikakos, Schutzius und ihre Teams arbeiten seit mehreren Jahren an passiv beheizten Oberflächenbeschichtungen. Vor drei Jahren veröffentlichten die Wissenschaftler ihre erste Forschungsarbeit über eine Goldbeschichtung, die das Beschlagen transparenter Oberflächen verhindert. Die nun vorgestellte Beschichtung hat viele Vorteile gegenüber der ersten: Sie besteht aus einer einzigen Gold-Nanoschicht und ist deutlich dünner, was sie transparenter und biegsamer macht. Darüber hinaus ist es auch transparenter und effizienter, da es Infrarotlicht selektiver absorbiert.
Gold mag teuer sein, aber die Forscher betonen, dass ihre Beschichtung so wenig benötigt, dass die Materialkosten niedrig bleiben. Die Beschichtung besteht aus winzigen, extrem dünnen Goldclustern, die zwischen zwei ultradünnen Schichten aus Titanoxid, einem elektrisch isolierenden Material, eingebettet sind. Diese beiden äußeren Schichten erhöhen durch ihre lichtbrechenden Eigenschaften die Wirksamkeit der Heizwirkung. Darüber hinaus dient die Deckschicht aus Titanoxid als Finish, das die Goldschicht vor Verschleiß schützt. Dieses ganze „Sandwich“ ist nur 10 Nanometer dick. Zum Vergleich: Ein gewöhnliches Blattgold ist zwölfmal dicker.
Quelle: ETH Zürich
Die einzelnen Goldcluster berühren sich minimal, wodurch die Goldschicht gerade erst beginnt, Strom zu leiten. Ohne Sonnenlicht wäre es also immer noch möglich, die Beschichtung mit Strom zu erhitzen.
Die Forscher werden die Beschichtung nun für andere Anwendungen weiterentwickeln. Dabei werden sie untersuchen, ob andere Metalle genauso gut funktionieren wie Gold. Neben Brillen und Windschutzscheiben könnte dieses Antibeschlag-Verfahren überall dort eingesetzt werden, wo Objekte sowohl beheizt als auch transparent sein müssen – wie etwa Fenster, Spiegel oder optische Sensoren.
Es muss jedoch nicht befürchtet werden, dass sich dadurch ein Auto oder ein Gebäude im Sommer stärker aufheizt. ETH-Doktorand Hächler erklärt: «Die Scheibenbeschichtung absorbiert Infrarotstrahlen der Sonne, was die Scheibe gezielt aufheizt und verhindert, dass die Strahlung ins Innere des Autos oder Gebäudes gelangt. Dadurch heizt sich der Innenraum noch weniger auf als ohne die Beschichtung.“
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur Nanotechnologie.
Mehr Informationen:
Gabriel Schnoering, Transparente sonnenlichtaktivierte Antibeschlag-Metamaterialien, Natur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01267-1 , www.nature.com/articles/s41565-022-01267-1
Related Research Briefing: Bekämpfung des Beschlagens mit selektiven Sonnenlicht-Nanoabsorbern. Natur Nanotechnologie 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01269-z , www.nature.com/articles/s41565-022-01269-z