Wissenschaftler der University of Akron und der University of Pittsburgh haben in einer neuen Studie lang gehegte Annahmen widerlegt: Wasser kann die Haftung fördern.
Dr. Ali Dhinojwala, angesehener W. Gerald Austen-Stiftungslehrstuhl und HA Morton-Professor an der School of Polymer Science and Polymer Engineering der University of Akron, leitete ein Team, dessen bedeutender Durchbruch – dass Wasser unter kontrollierten Bedingungen unerwartet die Haftung erhöhen kann – am 7. August in Wissenschaftliche Fortschritte.
Die Auswirkungen dieser Forschung sind tiefgreifend, insbesondere in biomedizinischen Anwendungen wie Bandagen, Gesundheitsüberwachungssensoren für feuchte Haut und fortschrittlichen Klebstoffen, die Nähte ersetzen könnten. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Nutzung von Oberflächenrauheit und Materialeigenschaften könnten Branchen im Wert von mehreren Milliarden Dollar weltweit revolutionieren.
Das Fahren auf nassen Straßen oder das Anbringen von Klebebändern auf feuchter Haut sind alltägliche Herausforderungen, die durch die Schwierigkeit, auf nassen, rauen Oberflächen eine starke Haftung zu erreichen, noch verschärft werden. Traditionell wurde die Anwesenheit von Wasser als Hindernis angesehen, da es die für eine wirksame Haftung erforderlichen Molekülbindungen stört. Wasser neigt dazu, an Oberflächen zu haften und in Oberflächenrauheiten eingeschlossen zu werden, was den Klebevorgang weiter erschwert.
In einem bedeutenden Durchbruch machte das Team von Dr. Dhinojwala – darunter Dr. Tevis Jacobs von der Universität Pittsburgh, Dr. Lars Pastewka von der Universität Freiburg und Dr. Anirudha Sumant vom Argonne National Laboratory – seine Entdeckung im Rahmen einer Studie, in der die Haftung eines weichen Elastomers an präzise konstruierten rauen Oberflächen gemessen wurde. Dabei kam ein komplexes Zusammenspiel zwischen Wasser, Oberflächenrauheit und Haftungsdynamik zum Vorschein.
Dr. Dhinojwala und der Doktorand Nityanshu Kumar führten die bahnbrechenden Unterwasserexperimente durch und entwickelten Modelle zur Erklärung der Ergebnisse. Die rauen Oberflächen wurden im Argonne National Laboratory chemisch aufbereitet und an der Universität Pittsburgh bis auf die atomare Ebene charakterisiert. Simulationen der Trennfläche wurden an der Universität Freiburg durchgeführt. Die Untersuchung war nur durch die sich ergänzende Expertise dieses kollaborativen Teams möglich.
Entgegen den Erwartungen stört die Anwesenheit von Wasser während der Kontaktbildung zunächst die Haftung, indem sie aufgrund eingeschlossener Wassermoleküle den molekularen Kontakt auf fast der Hälfte der Oberfläche verhindert. Darüber hinaus wird die Energie, die erforderlich ist, um das Elastomer zu verformen und sich an die Oberflächenrauheit anzupassen, in Gegenwart von Wasser erheblich erhöht, was die anfängliche Haftung weiter verringert.
Überraschenderweise erhöhte die Anwesenheit von Wasser, das die Haftung während der Kontaktbildung stört, die Haftung während der Ablösung um fast das Vierfache. Mithilfe analytischer Modelle und oberflächenempfindlicher Spektroskopie zeigten diese Ergebnisse, dass Wasser in nanometergroßen Taschen eingeschlossen ist. „Unter Wasser ist es schwierig, Kontakt herzustellen, da zusätzliche Energie erforderlich ist, um das Wasser herauszupressen, und man es nicht vollständig entfernen kann“, sagte Dr. Jacobs. „Aber wir waren sehr überrascht zu sehen, dass dasselbe eingeschlossene Wasser, das es schwierig macht, zwei Oberflächen zusammenzudrücken, es auch erheblich schwieriger macht, dieselben Oberflächen auseinander zu ziehen.“
„Diese Erkenntnisse stellen die traditionelle Ansicht in Frage, dass Wasser die Haftung generell beeinträchtigt“, sagte Dr. Dhinojwala. „Wenn wir verstehen, wie Wasser mit der Oberflächentopographie interagiert, können wir möglicherweise Rauheit nutzen, um die Haftung zu verbessern, ähnlich wie Geckos ihre Zehenballen verwenden, um auf nassen Oberflächen zu klettern.“
Als nächstes möchte sich das Team von Dr. Dhinojwala auf die weitere Verfeinerung dieser Erkenntnisse konzentrieren, um praktische Anwendungen zu entwickeln, die die überraschenden Vorteile von Wasser in der Adhäsionswissenschaft nutzen.
Mehr Informationen:
Nityanshu Kumar et al., Kleine Rauheit fängt Wasser ein und kontrolliert die Unterwasserhaftung, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn8343