Wasserabweisend auf Knopfdruck

Der Lotuseffekt lässt Wassertropfen von Blättern mühelos abperlen. Viele Materialien wurden bereits entwickelt, die dank ihrer feinen Strukturen auf der Oberfläche ebenfalls stark wasserabweisend, hydrophob, sind. Einer Gruppe Physiker gelang es nun, eine neuartige Oberfläche zu entwickeln, deren Hafteigenschaften für Wasser sich auf Knopfdruck ändern ließen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, blieben Wassertropfen in Abhängigkeit von elektrischer Spannung mal mehr und mal weniger gut haften. Auf der Basis dieser Ergebnisse könnten in Zukunft beispielsweise Fensterscheiben entwickelt werden, von denen Wasser auf Knopfdruck einfach abperlt.

„Mit unserem Modellsystem wollen wir das fundamentale Phänomen der Reibung von Flüssigkeiten an Oberflächen genauer verstehen“, sagt Thomas Greber vom Physik-Institut der Universität Zürich. Zusammen mit Kollegen deponierte er dazu eine nur eine Atomlage dünne Schicht aus Bornitrid auf einem Träger aus dem Metall Rhodium. Die Bor- und Stickstoffatome ordneten sich dabei in einer leicht gewellten Wabenstruktur an, die nur ein zehntel millionstel Millimeter (Nanometer) dick war.

Auf diese wegen ihrer geringen Dicke zweidimensional genannten Bornitrid-Schicht setzten die Forscher einen Wassertropfen. Dieser blieb wir erwartet haften. Wurde nun aber eine elektrische Spannung an den Wassertropfen angelegt, veränderten sich die wirkenden Haftkräfte. Messen ließ sich dieser Effekt mit einer eigens entwickelten Apparatur, mit der sich der Kontaktwinkel zwischen Bornitrid-Schicht und der sich verändernden, gewölbten Oberfläche des Tropfens bestimmen ließ.

Verantwortlich für diesen Effekt waren Strukturänderungen in der Bornitrid-Schicht. So lagerte sich bei angelegter Spannung Wasserstoff zwischen die Bornitrid-Schicht und die Unterlage aus Rhodium. Es bildeten sich Wasserstoff-Rhodium-Bindungen aus und die zuvor leicht gewellte Oberfläche wurde zunehmend flacher. Genau diese elektrisch schaltbare Strukturänderung machten die Forscher für die variablen Hafteigenschaften verantwortlich.

„Nun ist es denkbar, dass sich mit einer weiterentwickelten Version unseres Materials die Benetzbarkeit durch Wasser oder andere Flüssigkeiten zwischen hydrophil und hydrophob schalten ließe“, sagt Stijn Mertens von der Technischen Universität Wien. Damit könnte eine Windschutzscheibe konstruiert werden, wovon das Wasser auf Knopfdruck abperlt. Doch auch für die Analyse wässriger, biologischer Proben könnte die Schaltbarkeit der Wasserhaftung interessant werden, um etwa Haftung und Wanderung von Zellen kontrolliert zu steuern.