Vorbild Kaktus: Mikronadeln säubern ölverseuchtes Wasser

Mit seinen Nadeln kann ein Kaktus winzige Wassertropfen aus der Luft sammeln und dadurch ohne Regen überleben. Das gleiche Prinzip übertrugen nun  Wissenschaftler auf verdrecktes Wasser, in dem kleinste Öltröpfchen verteilt waren. Mit einem Areal aus kegelförmigen Kunststoffnadeln ließen sich mehr als 99 Prozent der Öltröpfchen einsammeln. Diese Methode, vorgestellt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“, könnte nicht nur zum Säubern von Meerwasser nach einem Ölunfall sondern auch zum Trennen von Flüssigkeiten in der chemischen Industrie genutzt werden.

Zwei Mikroskopaufnahme in schwarz-weiß von einer Fläche, die mit kegelförmigen Spitzen besetzt ist.
Künstliche Kaktusnadeln

„Mikrometer kleine Öltröpfchen in Wasser verhalten sich ähnlich wie Wassertröpfchen in Luft“, erklärt Lei Jiang von der der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking. Mit diesem Wissen konstruierte Jiang zusammen mit seinen Kollegen künstliche Kaktusnadeln aus Kupfer und einem Siloxankunststoff. Im Wasser verteilte, Millionstel Meter kleine Öltröpfchen lagerten sich an diese Nadeln an. Auf der leicht aufgerauten Oberfläche der Nadeln vereinigten sich kleine Tröpfchen dann nach und nach miteinander. Ab einer bestimmten Größe rannen die Tropfen selbstständig zur Basis der Nadeln und konnten dort abgepumpt werden. Mit mehreren Testläufen identifizierten die Forscher die ideale Größe und Verteilung von Mikronadeln, um mehr als 99 Prozent aller Öltröpfchen aus einer verseuchten Wasserprobe entfernen zu können.

Verantwortlich für diese hohe Effizienz waren mehrere Faktoren. So mussten die Nadeln aus einem Material bestehen, das sich leicht mit Öl benetzen lässt. Sowohl Kupfer als auch der weitaus günstigere Siloxankunststoff erfüllten diese Bedingung. Wichtig war auch die Kegelform der Mikronadeln. So konnten sich an der feinen Spitze die Öltröpfchen leicht anlagern. Angewachsen zu größeren Tropfen sorgte ein Wechselspiel aus Oberflächenspannung und benetzter Fläche dafür, dass die Tropfen völlig selbstständig zur dickeren Basis der Nadeln wanderten. Die dabei wirkenden Kräfte, sogenannte Laplace-Kräfte, waren sogar um ein Vielfaches größer als die Schwerkraft oder die Auftriebskräfte, die auf die Öltröpfchen wirkten.

Bisher testeten Lei Jiang und Kollegen ihren Tröpfchensammler nach Kaktusart nur im kleinen Labormaßstab. Doch mit größeren Nadelflächen könnten effizient winzige Öltröpfchen, die sich mit bisher verfügbaren Säuberungstechniken nur schwer beseitigen lassen, aus verseuchtem Meerwasser gefiltert werden. Weitere Versuche belegten, dass diese Methode ebenfalls geeignet ist, um etwa organische Lösungsmittel oder flüssige Silikonverbindungen von Wasser zu trennen. Das macht sie ebenfalls interessant für effizientere Trennprozesse in der chemischen Industrie.