Das Team entwickelt eine superhydrophobe Oberfläche, die unter Wasser monatelang trocken bleiben kann

Eine Spinnenart lebt ihr ganzes Leben unter Wasser, obwohl ihre Lunge nur Luftsauerstoff atmen kann. Wie macht es das? Diese als Argyroneta aquatica bekannte Spinne hat Millionen rauer, wasserabweisender Haare, die Luft um ihren Körper einschließen, ein Sauerstoffreservoir bilden und als Barriere zwischen der Lunge der Spinne und dem Wasser fungieren.

Diese dünne Luftschicht wird Plastron genannt und seit Jahrzehnten versuchen Materialwissenschaftler, sich ihre schützende Wirkung zunutze zu machen. Dies könnte zu superhydrophoben Unterwasseroberflächen führen, die Korrosion, Bakterienwachstum, die Anhaftung von Meeresorganismen, chemische Verschmutzung und andere schädliche Auswirkungen von Flüssigkeiten auf Oberflächen verhindern können. Aber Plastrons haben sich unter Wasser als äußerst instabil erwiesen und halten die Oberflächen im Labor nur wenige Stunden lang trocken.

Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in Harvard, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland und der Aalto University in Finnland hat eine superhydrophobe Oberfläche mit einem stabilen Plastron entwickelt, das unter Wasser monatelang halten kann.

Die allgemeine Strategie des Teams, langlebige superhydrophobe Unterwasseroberflächen zu schaffen, die Blut abweisen und die Anhaftung von Bakterien und Meeresorganismen wie Seepocken und Muscheln drastisch reduzieren oder verhindern, eröffnet eine Reihe von Anwendungen in der Biomedizin und der Industrie.

Der Forschung ist veröffentlicht in Naturmaterialien.

„Die Forschung an bioinspirierten Materialien ist ein äußerst spannendes Gebiet, das weiterhin elegante, in der Natur entwickelte Lösungen in den Bereich künstlicher Materialien einbringt, die es uns ermöglichen, neue Materialien mit noch nie dagewesenen Eigenschaften einzuführen“, sagte Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson-Professorin für Materialwissenschaften und Professor für Chemie und Chemische Biologie am SEAS und Mitautor des Artikels. „Diese Forschung veranschaulicht, wie die Entdeckung dieser Prinzipien zur Entwicklung von Oberflächen führen kann, die unter Wasser ihre Superhydrophobie aufrechterhalten.“

Aizenberg ist außerdem außerordentliches Fakultätsmitglied des Wyss Institute.

Forscher wissen seit 20 Jahren, dass ein stabiler Unterwasserplastron theoretisch möglich ist, konnten dies jedoch bisher nicht experimentell nachweisen.

Eines der größten Probleme bei Plastrons besteht darin, dass sie raue Oberflächen benötigen, um sich zu bilden, wie die Haare von Argyroneta aquatica. Diese Rauheit macht die Oberfläche jedoch mechanisch instabil und anfällig für kleine Temperatur- und Druckschwankungen oder kleine Defekte.

Aktuelle Techniken zur Beurteilung künstlich hergestellter superhydrophober Oberflächen berücksichtigen nur zwei Parameter, die keine ausreichenden Informationen über die Stabilität des Luftplastrons unter Wasser liefern. Aizenberg, Jaakko VI Timonen und Robin HA Ras von der Aalto-Universität sowie Alexander B. Tesler und Wolfgang H. Goldmann von der FAU identifizierten mit ihren Teams eine größere Gruppe von Parametern, darunter Informationen zur Oberflächenrauheit, der Hydrophobie der Oberflächenmoleküle und der Plastronbedeckung , Kontaktwinkel und mehr, die es ihnen in Kombination mit der thermodynamischen Theorie ermöglichten, herauszufinden, ob das Luftplastron stabil wäre.

Mit dieser neuen Methode und einer einfachen Herstellungstechnik entwarf das Team eine sogenannte aerophile Oberfläche aus einer häufig verwendeten und kostengünstigen Titanlegierung mit einem langlebigen Plastron, das die Oberfläche Tausende von Stunden länger trocken hielt als bei früheren Experimenten und sogar länger als die Plastrons lebender Arten.

„Wir haben eine Charakterisierungsmethode verwendet, die vor 20 Jahren von Theoretikern vorgeschlagen wurde, um zu beweisen, dass unsere Oberfläche stabil ist. Das bedeutet, dass wir nicht nur einen neuartigen Typ einer extrem abstoßenden, extrem haltbaren superhydrophoben Oberfläche geschaffen haben, sondern auch einen Weg finden können.“ dass wir es noch einmal mit einem anderen Material machen würden“, sagte Tesler, ein ehemaliger Postdoktorand am SEAS und am Wyss Institute und Hauptautor der Arbeit.

Um die Stabilität des Plastrons zu beweisen, haben die Forscher die Oberfläche dem Ringer unterzogen – sie haben sie gebogen, verdreht, mit heißem und kaltem Wasser abgestrahlt und mit Sand und Stahl abgerieben, um die Oberfläche zu blockieren, die aerophil bleibt. Es überlebte 208 Tage unter Wasser und Hunderte Male in einer Petrischale mit Blut. Es reduzierte das Wachstum von E. coli und Seepocken auf seiner Oberfläche erheblich und stoppte die Anhaftung von Muscheln insgesamt.

„Die Stabilität, Einfachheit und Skalierbarkeit dieses Systems machen es wertvoll für Anwendungen in der realen Welt“, sagte Stefan Kolle, Doktorand am SEAS und Co-Autor der Arbeit. „Mit dem hier gezeigten Charakterisierungsansatz demonstrieren wir ein einfaches Toolkit, mit dem Sie Ihre superhydrophobe Oberfläche optimieren können, um Stabilität zu erreichen, was Ihren Anwendungsbereich dramatisch verändert.“

Dieser Anwendungsbereich umfasst biomedizinische Anwendungen, bei denen es zur Reduzierung von Infektionen nach einer Operation oder als biologisch abbaubare Implantate wie Stents eingesetzt werden könnte, so Goldmann, leitender Autor der Studie und ehemaliger Harvard-Stipendiat. Dazu gehören auch Unterwasseranwendungen, bei denen Korrosion in Rohrleitungen und Sensoren verhindert werden könnte. In Zukunft könnte es sogar in Kombination mit der superglatten Beschichtung SLIPS, den Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces, die von Aizenberg und ihrem Team vor mehr als einem Jahrzehnt entwickelt wurde, verwendet werden, um Oberflächen noch weiter vor Verunreinigungen zu schützen.