Wie man Schmutz einfach entfernt

Alle Oberflächen in unserem täglichen Leben werden über die Zeit mit Partikeln wie Staub, Pollen oder Mikroorganismen verdreckt. Daher sind Oberflächen wünschenswert, die einfach gereinigt werden können – d. h. an denen Schmutzpartikel beispielsweise durch Regen entfernt werden.

Oberflächen, von denen Wassertropfen einfach abperlen, sind hierfür vielversprechende Kandidaten. Auf Grund der geringen Haftung von Wassertropfen und den damit einhergehenden selbstreinigenden Eigenschaften der Oberfläche werden sie „superhydrophob” – also super-wasserabweisende – Oberflächen genannt.

Diese Oberflächen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Mikro-Rauigkeit, d. h. eine Rauigkeit im Bereich von einem millionstel Meter, aufweisen, und so die Kontaktfläche zu Wassertropfen deutlich reduzieren.

Lange Zeit war jedoch unverstanden, wie der Effekt der Selbstreinigung auf mikroskopischer Ebene genau funktioniert und wie Oberflächen hergestellt werden müssen, um möglichst effektiv zu funktionieren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Prof. Dr. Doris Vollmer und Dr. Rüdiger Berger (Arbeitskreis Prof. H.-J. Butt) haben nun neue Einblicke in den Selbstreinigungsprozess gewonnen, indem sie eine solche Oberfläche mikroskopisch im Mikrometerbereich abgebildet haben.

Die besondere Mikroskopiemethode, die einen Laser als Lichtquelle verwendet, erlaubte es ihnen abzubilden, wie ein über die Oberfläche rollender Tropfen Schmutzpartikel aufnimmt. Hiermit konnten sie zeigen, dass ein Tropfen auf einer mit Schmutzpartikeln verunreinigten superhydrophoben Oberfläche im wesentlichen nur Kontakt mit den Schmutzpartikeln selbst hat – also kaum einen Kontakt mit der Oberfläche herstellt.

Dafür ist aber die Größe der Partikel im Vergleich zu typischen Längenskalen der Oberflächen-Rauigkeit essentiell. Abhängig von der Oberfläche kann die Partikelgröße zwischen einigen zehn Nanometern und mehreren Mikrometern variieren.

„Eine Oberfläche funktioniert effektiv, wenn die Längenskala bzw. Porengröße der superhydrophoben Oberfläche kleiner ist als der Schmutzpartikel selbst“, so Doris Vollmer. „Dann wird Schmutz, z. B. durch Regen, komplett entfernt.“

In einem weiteren Schritt haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die über die laserbasierte Mikroskopie gefundenen Ergebnisse mit Hilfe von Kraftmessungen verifiziert. Dazu haben sie eine am MPI-P entwickelte hochsensitive Messmethode verwendet, die es erlaubt, die Reibung von Tropfen zu messen.

Damit konnten sie zeigen, dass die Kraft, die für die Fortbewegung des Tropfens notwendig ist, sich aus der Anzahl an Schmutzpartikeln sowie der Haftkraft zwischen den Partikeln und der Oberfläche ergibt.

Diese sehr genauen Kraftmessungen ermöglichte es den Autoren eine weitere wichtige Aussage zu treffen: Partikel werden nur dann effektiv entfernt, wenn die Haftung zwischen Tropfen und Partikel größer ist als die Haftkraft zwischen Partikel und Oberfläche. Dann wird der Schmutz von dem Tropfen mitgenommen.

Ihre so aufgestellten Regeln, die das Design einer schmutzabweisenden Oberfläche erleichtern sollen, haben sie mit Partikeln unterschiedlichster Größe und Art verifiziert. Interessanterweise verhalten sich Partikel wie beispielsweise Staub ähnlich wie kohlenstoffhaltige Substanzen, wie beispielsweise Ruß.

Ihre Ergebnisse haben sie in der renommierten Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

Prof. Dr. Doris Vollmer: vollmer@mpip-mainz.mpg.de
Dr. Rüdiger Berger: berger@mpip-mainz.mpg.de

Geyer, F.; D'Acunzi, M.; Sharifi-Aghili, A.; Saal, A.; Gao, N.; Kaltbeitzel, A.; Sloot, T.-F.; Berger, R.; Butt, H.-J.; Vollmer, D.: When and how self-cleaning of superhydrophobic surfaces works. Science Advances 6 (3), eaaw9727 (2020)
https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aaw9727