Rationales Design flüssigkeitsabweisender, selbstreinigender Oberflächenbeschichtungen mit Langzeitstabilität

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolas Vogel
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396492435

Die unkontrollierte Benetzung von Oberflächen mit Flüssigkeiten und darin gelösten Verschmutzungen hat weitreichende negative Konsequenzen in verschiedenen Anwendungen. Diese reichen von Effizienzverlusten in Filtration und Membranprozessen über Sichtverluste in optischen Technologien bis zur Kontamination von Oberflächen mit Bakterien im Gesundheitswesen. Eine nachhaltige Lösung zur Verhinderung von Kontaminationen ist daher von enormer technologischer Bedeutung. Die traditionelle Strategie abweisende Oberflächen zu generieren basiert auf dem Lotuseffekt. Solche Beschichtungen verhindern die Benetzung von Wasser äußerst effizient, können aber bei Kontamination mit Ölen oder Kontakt mit Proteinen oder Bakterien versagen. Eine neue Alternative ist von der Kannenpflanze inspiriert und basiert auf der Infiltrierung einer Flüssigkeit in eine poröse Oberflächenstruktur. Ist diese Flüssigkeit durch eine niedrige Grenzflächenenergie präferentiell an die Oberfläche gebunden, wird sie nicht von einer zweiten, nicht-mischbaren Flüssigkeit verdrängt. Dadurch ist der direkte Kontakt der zweiten Flüssigkeit zum Substrat unterbunden und sie rutscht auf dem infiltrierten Film ab. So können Wasser, organische Flüssigkeiten und komplexe Fluide effektiv von der Oberfläche abgewiesen und auch die Adhäsion von Bakterien verhindert werden. Ein generelles Problem solcher Beschichtungen ist jedoch der Verlust des Flüssigkeitsfilms beispielsweise durch Verdampfen und das damit einhergehende Versagen der abweisenden Eigenschaften.Ziel dieses Antrags ist die Verhinderung der Degradierung durch die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten mit sehr niedrigem Dampfdruck als infiltrierende Flüssigkeit. Zunächst sind systematische Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen der ionischen Flüssigkeit und dem Substrat geplant. Mittels Silanisierung werden mono- und multifunktionale molekulare Monolagen auf Glasoberflächen hergestellt und deren Benetzungseigenschaften untersucht. Ziel ist die Minimierung der Grenzflächenenergie, um einen stabilen und langfristig infiltrierten Film zu gewährleisten. Im nächsten Schritt werden nanoporöse Oberflächenstrukturen (inverse Opale) als Modellbeschichtungen hergestellt und die auftretenden Strukturfarben zur direkten Charakterisierung der Benetzungseigenschaften mit den ionischen Flüssigkeiten und einer abzuweisenden Flüssigkeit als Funktion der Oberflächenchemie herangezogen. Die Erkenntnisse werden dann auf einen einfachen und skalierbaren Beschichtungsprozess übertragen. Schließlich wird eine weitere Optimierung der Langzeitstabilität betrachtet. Hierzu werden anstelle molekularer Monolagen oberflächengebundene Polymernetzwerke verwendet. Diese werden auf Aktivester-Basis synthetisiert und ermöglichen eine einfache chemische Funktionalisierung, welche die Anpassung der Funktionalität des Polymernetzwerks auf die ionische Flüssigkeit und somit die Maximierung der chemischen Affinität der ionischen Flüssigkeit zur Oberfläche ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen