Einfluss von Oberflächentopographie und -chemie auf das Benetzungsverhalten laserstrukturierter, metallischer Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Kopnarski; Professor Dr. Michael Moseler; Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435334669

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Benetzbarkeit technischer Oberflächen erfährt gerade in jüngster Zeit ein zunehmendes Interesse. Grund ist ihre Bedeutung bei einer Vielzahl technisch relevanter Prozesse. Benetzung beeinflusst das Korrosionsverhalten, die Verbindung von Oberflächen zu anderen Materialien wie Klebern, Farben oder Metallen. In Abhängigkeit von ihr ergeben sich antibakterielle Eigenschaften oder die forcierte Adhäsion von Zellen. Auch tribologische Eigenschaften werden durch sie verändert. Die Benetzbarkeit selbst wird dagegen durch Faktoren, wie Oberflächentopographie und Chemie beeinflusst. So entscheidet die Rauheit einer Probe häufig zwischen Übergängen von vollständiger Benetzung aller Strukturen (Wenzel-Typ) über eine Vielzahl von Mischzuständen, bis zur Benetzung nur der Rauheitsspitzen, und Lufteinschlüssen in den Rauheitstälern (Cassie-Baxter-Typ). Aber auch die Chemie einer Oberfläche übt starken Einfluss auf das Benetzungsverhalten aus. So führt eine polare Oberflächenterminierung zu hydrophilem Benetzungsverhalten, eine unpolare Oberfläche dagegen zu hydrophobem Verhalten. Ein Ziel des Projektes war es, neue Einblicke über die Einflüsse von Topographie und Chemie auf das Benetzungsverhalten zu gewinnen, um letztendlich auch das Benetzungsverhalten beeinflussen zu können. Kupfer wurde als Modellmaterial ausgewählt, da es eine Vielzahl möglicher Anwendung in verschiedensten technischen Bereichen findet (Wärmetransfer, antimikrobielle Oberflächen, Korrosionsschutz, elektrische Leiter oder Steckverbinder). Grundlage für jede Oberflächenmodifikation ist die metallographische Präparation, weshalb zunächst eine geeignete Präparationsroutine für Kupfer inklusive Reinigungsprotokoll entwickelt wurde. Die Charakterisierung des Benetzungsverhaltens erfolgte mittels statischer Kontaktwinkelmessungen (SCA), einer etablierten, weit verbreiteten Methode zur Benetzungsanalyse. Trotzdem wurde zunächst eine detaillierte Studie über präparations- und messbedingte Störeinflüsse auf die SCA Methode durchgeführt, um die Methode weiter zu optimieren, neue Standards für die Benetzungsanalyse innerhalb des Projekts zu definieren und der wissenschaftlichen Fachcommunity vorzuschlagen, welche Reproduzierbarkeit und Aussagekraft der SCA Methode entscheidend verbessern können. Hierbei wurde auch der Aspekt von Probenverpackung und -lagerung beleuchtet. Es zeigte sich ein entscheidender Einfluss auf das Benetzungsverhalten durch die lagerungsbedingte Adsorption flüchtiger Kohlenwasserstoffe, deren Adsorbatfilme im Detail durch XPS und TOF-SIMS analysiert wurden. Bevor definiert oxidierte und mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) komplexe, hierarchisch strukturierte Oberflächen erzeugt und analysiert wurden, wurden zunächst grundlegende Zusammenhänge zwischen Benetzungsverhalten und intrinsischen Materialeigenschaften, wie Korngröße und Deformation untersucht, die sich vor allem auf das Benetzungsverhalten frisch präparierter Proben auswirkten. In einer finalen Studie wurden die so erworbenen Erfahrungen und Resultate genutzt, um eine komplexe Multiskalenstudie zum Benetzungsverhalten von Kupfer durchzuführen. Der Einfluss von Alterung, Oxidationszustand, isotropen sowie anisotropen Topographien durch DLIP wurde experimentell analysiert, wodurch umfassende Einblicke in die Benetzungsdynamik von Wasser auf Kupfer gewonnen werden konnten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Patience Alone is not Enough – A Guide for the Preparation of Low-Defect Sections from Pure Copper. Practical Metallography, 58(7), 388-407.
  Lößlein, S. M.; Kasper, M.; Merz, R.; Pauly, C.; Müller, D. W.; Kopnarski, M. & Mücklich, F.
  
• An in-depth evaluation of sample and measurement induced influences on static contact angle measurements. Scientific Reports, 12(1).
  Lößlein, Sarah Marie; Merz, Rolf; Müller, Daniel Wyn; Kopnarski, Michael & Mücklich, Frank
  
• Topography versus chemistry – How can we control surface wetting?. Journal of Colloid and Interface Science, 609, 645-656.
  Lößlein, Sarah Marie; Mücklich, Frank & Grützmacher, Philipp G.
  
• Von feinkristallin bis Grobkorn – Wärmebehandlung, Präparation und Analyse von Kupfer, Metallographietagung 2022, September 21-23 2022 (oral poster presentation)
  S. M. Lößlein, R. Merz, M. Kopnarski & F. Mücklich
  
• The Influence of Adventitious Carbon Groups on the Wetting of Copper: A Study on the Effect of Microstructure on the Static Contact Angle. Langmuir, 39(34), 12020-12031.
  Lößlein, Sarah Marie; Merz, Rolf; Müller, Daniel W.; Kopnarski, Michael & Mücklich, Frank
  
• Von hydrophil bis hydrophob – Über das Benetzungsverhalten von Reinkupfer, Kupfersymposium 2023, Jena, November 28-30 2023 (presentation)
  S. M. Lößlein, R. Merz, D. W. Müller, M. Kopnarski & F. Mücklich
  
• Wetting properties - How we determine one of the most important parameters for the antimicrobial activity of surfaces, BioMAT 2023, May 03-04 2023 (presentation)
  S. M. Lößlein, R. Merz, D. W. Müller, M. Kopnarski & F. Mücklich
  
• Influence of chemistry and topography on the wettability of copper. Journal of Colloid and Interface Science, 670, 658-675.
  Marie, Lößlein Sarah; Merz, Rolf; Rodríguez-Martínez, Yerila; Schäfer, Florian; Grützmacher, Philipp G.; Horwat, David; Kopnarski, Michael & Mücklich, Frank