Selbstreinigende Metallflächen durch Nanostruktur

Ganz ohne zusätzliche Beschichtungen können sich Metalloberflächen selbstständig reinigen und zugleich Sonnenlicht gut absorbieren. Verantwortlich dafür sind feinste Nanostrukturen, die Wissenschaftler von der University of Rochester mit kurzen Laserpulsen erzeugten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Journal of Applied Physics“ berichten, könnte diese Methode zahlreiche Anwendungen ermöglichen – von wartungsarmen Kollektorflächen für Solarthermieanlagen bis hin zu selbstreinigenden Latrinen.

Ein Wassertropfen an einem schwarzen Material auf blauem Hintergrund.
Abperlender Wassertropfen

„Diese Strukturen, die wir mit Lasern in die Metalle prägten, sind ein intrinsischer Teil der Oberflächen“, sagt Teammitglied Chunlei Guo. Damit erübrigt sich jede zusätzliche Beschichtung, mit der selbstreinigende Oberflächen bisher gefertigt werden konnten. Mit bloßem Auge sind die mikroskopisch feinen Strukturen, die sich wie längliche Hügel vergleichbar mit einem Spargelfeld über die Metalle ziehen, nicht zu erkennen. Die Hügel erreichen eine Höhe von etwa hundert millionstel Meter. Dabei sind sie nicht völlig glatt, sondern weisen selbst noch kleinere Strukturen von fünf bis zehn Nanometern auf.

Diese Kombination von Mikro- und Nanostrukturen – Forscher nennen diesen Aufbau hierarchisch – prägten Guo und seine Kollegen mit kurzen und intensiven Pulsen eines Femtosekundenlasers in die Metalloberflächen wahlweise aus Platin, Titan oder Messing. Prallten nun Wassertropfen auf leicht geneigte Flächen, wurden sie direkt wieder abgestoßen. Erst beim zweiten oder dritten Kontakt flossen sie schnell ab und rissen dabei viele Staubpartikel mit, die die Forscher zuvor gleichmäßig verteilt hatten.

Die so gereinigte Oberfläche war danach wieder vollkommen trocken. Diese wasserabstoßenden, superhydrophoben Flächen konnten zusätzlich Sonnenlicht sehr effizient absorbieren. Sie reflektierten nur ein bis fünf Prozent des einfallenden Lichts. Damit eignen sie sich sehr gut für die Oberflächen von Solarkollektoren, in denen Wasser erhitzt wird. Kombiniert mit den selbstreinigenden Eigenschaften wären so wartungsarme Solarthermieanlagen möglich, die beispielsweise in sonnenreichen, aber staubigen Wüstenregionen installiert werden könnten.

Bisher dauert die Bearbeitung der Metalloberflächen allerdings zu lange, um wirtschaftlich interessant zu sein. Eine Stunde benötigten die Forscher, um mit ihrem Laser eine Fläche von der Größe einer Briefmarke zu strukturieren. Doch hoffen sie, dieses Verfahren optimieren zu können, um mit vielen parallel angeordneten Lasern größere Oberflächen in wenigen Minuten bearbeiten zu können.