Nanodünne „flüssigkeitsähnliche“ Beschichtungen könnten den Weg für eine „selbstreinigende“ Welt ebnen

Forscher der Universität Sydney haben beobachtet, dass Ölmoleküle ihre „flüssigkeitsähnlichen“ Eigenschaften behalten, wenn sie als extrem dünne Schicht chemisch an feste Oberflächen gebunden werden, was neue Möglichkeiten für die Entwicklung nachhaltiger Materialien mit Antihafteigenschaften eröffnet.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemieunter der Leitung von Dr. Isaac Gresham mit den Co-Autoren Professor Chiara Neto und den Ehrenstudenten Seamus Lilley von der School of Chemistry und Sydney Nano, Dr. Kaloian Koynov vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung und Dr. Andrew Nelson vom Australian Centre for Neutronenstreuung.

Die vom Team untersuchten „flüssigkeitsähnlichen“ Beschichtungen, bekannt als „Slippery Covalently-Attached Liquid Surfaces“ (SCALS), werden aus Silikonen oder Polyethylenglykol hergestellt – beide zerfallen in der Umwelt in harmlose Nebenprodukte.

SCALS sind antiadhäsiv, ohne auf problematische perfluorierte Polymere (PFAS) zurückzugreifen, die als „ewige Chemikalien“ bekannt sind und normalerweise wegen ihrer geringen Haftungseigenschaften verwendet werden.

„Diese flüssigkeitsähnlichen Schichten sind für die meisten Verunreinigungen extrem rutschig: Sie geben Flüssigkeitströpfchen mühelos ab, was sich hervorragend zur Steigerung der Effizienz der Wärmeübertragung und zum Sammeln von Wasser eignet, sie verhindern die Bildung von Ablagerungen und widerstehen der Anhaftung von Eis und Bakterien.“ Dies bringt uns einer selbstreinigenden Welt einen Schritt näher“, sagte Professor Neto, der das Nano-Interfaces Laboratory an der University of Sydney leitet.

„Wir können die außergewöhnliche Leistungsfähigkeit dieser Schichten mit ihrer Nanostruktur in Verbindung bringen – das bedeutet, dass wir jetzt wissen, was wir bei der Gestaltung rutschiger Oberflächen anstreben. So können wir sie noch effektiver machen und praktikable Alternativen zu fluorierten Beschichtungen bieten.“

Die rutschigen, nanodünnen Schichten, zwischen zwei und fünf Milliardstel Metern dick oder 10.000 Mal dünner als ein menschliches Haar, bestehen aus Ölmolekülen, die nur hundert Atome lang sind.

„Ein Wassertropfen gleitet ohne Reibung über einen dicken Ölfilm, aber wenn man den Ölfilm vollständig entfernt, beispielsweise mit Seife, bleiben die meisten Wassertropfen an festen Oberflächen haften“, sagte Professor Neto.

„Wie dünn kann die Ölschicht auf einer festen Oberfläche sein, bevor sie nicht mehr ‚flüssigkeitsartig‘ ist? Auf der Nanoskala wird die Definition einer Flüssigkeit etwas rutschig.“

Um die Geheimnisse ihrer ultradünnen flüssigen Beschichtungen zu lüften, nutzte das Team zwei Techniken, um die Oberflächenschichten zu „sehen“.

Die erste Technik ist die Einzelmolekül-Kraftspektroskopie, die die Länge einzelner Moleküle und die Kraft misst, die erforderlich ist, um sie zu strecken oder zu komprimieren.

Die zweite Methode ist die Neutronenreflektometrie, mit der Wissenschaftler die Länge und Pfropfdichte von Molekülen messen können.

„Wir fanden heraus, dass die flüssigen Moleküle, wenn sie zu kurz und spärlich auf die feste Oberfläche aufgepfropft waren, die darunter liegende feste Oberfläche nicht ausreichend bedeckten und klebrig blieben“, sagte Professor Neto.

„Wenn die Moleküle dagegen zu lang oder zu dicht gepfropft waren, hatten sie nicht genug Flexibilität, um wie eine Flüssigkeit zu wirken.“

„Damit SCALS effektiv ist, mussten sie sich in einer Goldlöckchen-Zone befinden, in der sie weder zu kurz noch zu lang sind und auch nicht zu locker oder zu eng gepackt sind.“

Um eindeutig zu zeigen, dass die außergewöhnlichen Eigenschaften dieser Schichten auf ihren „flüssigkeitsähnlichen“ Zustand zurückzuführen sind, maß das Team die Geschwindigkeit, mit der ein kleines Sondenmolekül innerhalb der Schicht diffundierte.

Moleküle können durch Flüssigkeiten diffundieren, nicht jedoch durch Feststoffe. Professor Neto sagte, die schnellste molekulare Diffusion sei in der Goldlöckchen-Zone beobachtet worden, wo die Ölmoleküle genau die richtige Länge und eine mäßige Dichte hätten.