Superplastik zieht Wasser an und weist es ab

Ein neues, praktikables Verfahren zur Herstellung von Oberflächen mit Flächenmustern, die Wasser stark anziehen und stark abstoßen, könnte zu einer hocheffizienten Methode zum Auffangen von sauberem Wasser führen. Dieses vielseitige Material könnte auch bei der Herstellung neuartiger Geräte für medizinische Tests und chemische Synthesen Verwendung finden.

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Ein neues Material kann so strukturiert werden, dass es in einigen Bereichen (kugelförmige Tröpfchen) Wasser abweist und in anderen (abgeflachten) anzieht. Zu den Anwendungen könnte die Gewinnung von Wasser in der Wüste gehören. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Michael Rubner, MIT.)

Wissenschaftler haben über zahlreiche Anwendungen von wasseranziehenden (superhydrophilen) und wasserabweisenden (superhydrophoben) Oberflächen berichtet, darunter beschlagfreie Brillen und Windschutzscheiben sowie selbstreinigende Tücher und Glas. Jetzt hat eine Gruppe von Forschern in der Materialwissenschafts- und Ingenieurabteilung des MIT diese gegensätzlichen Eigenschaften auf einer einzigen Oberfläche kombiniert, indem sie einen einfachen und vielseitigen Herstellungsprozess verwendet.



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Robert Cohen , Michael Rubner , und Kollegen begannen damit, einen nanostrukturierten Film aus abwechselnden Schichten von positiv und negativ geladenen Polymeren und Siliziumdioxid-Nanopartikeln aufzubauen. Die Struktur des Films und eine Beschichtung aus wachsartigem fluoriertem Silan lassen Wasser darauf abperlen, wodurch nahezu perfekte Kugeln gebildet werden, die leicht abperlen. Um die superhydrophilen Bereiche (an denen Wassertröpfchen haften) hinzuzufügen, haben die Forscher ausgewählte Bereiche mit einem natürlich hydrophilen Polymer versehen.

In trockenen Regionen der Welt ohne einfachen Zugang zu sauberem Wasser könnte ein solches Material zum Sammeln von Wasser verwendet werden. Bei dieser Anwendung würden die hydrophilen Bereiche des Materials Feuchtigkeit aus der Luft anziehen und sich ansammelnde Wassertropfen sammeln, bis sie in die hydrophoben Bereiche überschwappen und in eine Sammelrinne rollen. Derzeit verwenden die Bewohner in Ländern mit begrenztem Zugang zu sauberem Wasser typischerweise große Polypropylenfasernetze, um Wasser aus Nebel zu gewinnen.

Die neue Technologie würde die Wasserbindung im Vergleich zu den derzeit verwendeten ineffizienten Netzen mehr als verzehnfachen, sagt Andrew Parker, Biologe an der Oxford University und dem Natural History Museum in London, der den Wüstenkäfer untersucht hat, der das MIT inspirierte arbeiten. Wenn das neue Material in Wüstennebelgebieten einfach auf Hausdächern aufgebracht werden könnte, so Parker, ließe sich mit geringem Aufwand eine Wasserversorgung herstellen.

Auch Rubners Labor entwickelt die Technik weiter. Wenn wir Wasser ernten, haben wir Chemie in den hydrophilen Bereich eingebaut, damit er ein antibakterielles Mittel enthält, um Bakterien und andere schädliche Dinge abzutöten, sagt Rubner. Dadurch wird das anfallende Wasser dekontaminiert, sodass das gesammelte Wasser sicher verwendet werden kann. Mit dieser Technik konnten die Forscher gängige schädliche Bakterien in vier Minuten abtöten, sagt er.

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Die Beschichtung könnte auch in biomedizinischen Anwendungen Verwendung finden, um Mikrofluidik-Chips herzustellen. Typischerweise enthalten mikrofluidische Vorrichtungen eingeschlossene mikrometerbreite Kanäle, die in Silizium-, Glas- oder Kunststoffplatten geätzt sind. Dann treiben Druck- oder elektrische Felder winzige Flüssigkeitsmengen, typischerweise Nanoliter, entlang dieser Kanäle für diagnostische Tests und genetische Forschung. Um beispielsweise das Vorhandensein eines bestimmten Proteins im Blut zu testen, könnten Sie Blut in einen Kanal nehmen und es zu einem anderen Kanal leiten, der ein chemisches Reagenz enthält, das das Protein identifiziert.

Gegenüber konventioneller Mikrofluidik hätte ein Mikrofluidik-Chip auf Basis der neuen Oberfläche den Vorteil der leichteren Durchmischung, sagt Rubner. Im Moment brauchen die Chips Pumpen und Ventile, die die Flüssigkeit bewegen, um das Mischen zu bewirken. In unserem Fall können Sie die Flüssigkeiten mischen, indem Sie einfach die Flüssigkeitsmenge kontrollieren, die Sie auf die Oberfläche geben, sagt er. Mit einer Pipette können Sie präzise Flüssigkeitsmengen in zwei nahe beieinander liegende hydrophile Rillen einfüllen. Wenn Sie mehr Flüssigkeit hinzufügen, wölben sich die Tröpfchen aufgrund des umgebenden hydrophoben Bereichs am Rand der Rillen aus. Schließlich berühren und vermischen sich die prallen Oberflächen. Die Möglichkeit, Flüssigkeiten auf einen kleinen Bereich zu beschränken, könnte dicht gepackten Reaktionszentren mehr Kontrolle über die Reaktion bieten, sagt er, da sich benachbarte Tropfen nicht vermischen, es sei denn, sie werden dazu gezwungen.

Während die genauen Verwendungen dieses neuen Materials noch ungewiss sind, eröffnet es viele Möglichkeiten, sagt Kenneth Wynne , Professor für Chemieingenieurwesen an der Virginia Commonwealth University. Das Mustern von ultra-hydrophilen Flecken auf einer ultra-hydrophoben Oberfläche auf diese Weise sei neu und nützlich, sagt er.

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