Schaltbare Oberflächen: Vom Regenschirm zum Schwamm

Ein bisschen Strom, und die Oberfläche ist wie ausgewechselt: Ein neues Material stößt Flüssigkeitstropfen anfangs ab, nach dem Anlegen einer Spannung kann die Flüssigkeit jedoch einsinken und die gesamte Oberfläche benetzen.

Flüssigkeit perlt von der Oberfläche ab.
Flüssigkeit perlt von der Oberfläche ab.

Madison (USA) - Das neuartige Material aus den USA besteht aus so genannten "Nanonägeln" (Nanonails), einer Silizium-Struktur aus eng aneinandersitzenden, elektrisch leitenden Stäbchen, auf denen nicht leitende Nagelköpfchen sitzen. Diese dynamisch steuerbare Oberfläche verfährt mit Wasser ebenso wie mit Öl oder Lösungsmitteln, was ein weites Feld künftiger Anwendungen eröffnet, bei denen es um kleinste Flüssigkeitsmengen geht. Von mobilen Reaktionstests, auch "Labor auf dem Chip" genannt, bis zu chemischen Mikroreaktoren, abschaltbaren Batterien oder selbstreinigenden Oberflächen. Um all diese Möglichkeiten umzusetzen, sind zwar noch weitere Verbesserungen nötig, schreiben die Forscher im Fachblatt "Langmuir", doch schon der Prototyp sei sehr vielversprechend.

"Die Flüssigkeit berührt die Oberfläche nur am äußersten Ende der Stäbchen, fast, als säße sie auf einer Luftschicht", erklärt Tom Krupenkin, Professor für Maschinenbau an der University of Wisconsin, Madison. Gemeinsam mit Forschern der Bell Laboratories ätzte sein Team die Stäbchenstruktur in Nanometergröße aus einem Silizium-Wafer. Die geraden Stäbchen bestehen aus elektrisch leitendem Silizium, die Nagelköpfe darauf aus nicht leitendem Siliziumoxid. Laut Krupenkin ist es aber weniger das Material als vielmehr die Form, die dem Material seine Eigenschaften gibt. Das Überstehen der Nagelköpfe halte die Flüssigkeiten zunächst davon ab, in die Zwischenräume einzudringen. Ohne angelegte Spannung zeigten sich Kontaktwinkel der Tropfen bis zu 150° für Flüssigkeiten unterschiedlichster Oberflächenspannung -- von Äthanol mit 21,8 mN/m bis zu Wasser mit 72,0 mN/m. In diesem Zustand versuchen die Tropfen, ihre Oberfläche so klein wie möglich zu halten, also trotz anderer Kräfte möglichst in Kugelform zu bleiben.

Legen die Forscher allerdings eine elektrische Spannung an die Nanonagel-Struktur, so verändert sich ihre Oberfläche von abstoßend zu anziehend: Das Feld zieht die Flüssigkeitsmoleküle unter den Überhang des Nagelkopfes, so dass der Luftschicht-Effekt aufgehoben wird, die Flüssigkeit zwischen die Schäfte eindringen kann und so die gesamte Oberfläche benetzen kann. Die Forscher schreiben, dass sie diesen Übergang zwischen extrem abstoßend (superlyophob) und beinah komplett benetzend (superhydrophil) erstmals nachweisen und experimentell und theoretisch beschreiben konnten. Damit zeigen sie eine neue Methode, Flüssigkeiten im Mikrometermaßstab gezielt zu manipulieren.