Greentech Science: Neues Material weist Wasser nahezu vollständig ab

Forschende des KIT und des Indian Institute of Technology Guwahati (IITG) haben ein Oberflächenmaterial entwickelt, das Wasser fast vollständig abweist. Mit einem völlig neuen Verfahren veränderten sie metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) – künstlich designte Materialien mit neuen Eigenschaften – mithilfe von Kohlenwasserstoffketten.

Die so entstandenen superhydrophoben, also hochgradig wasserabweisenden Eigenschaften sind für den Einsatz als selbstreinigende Oberflächen interessant, die robust gegenüber Umwelteinflüssen sein müssen, beispielsweise bei Automobilen oder in der Architektur.

MOFs (engl. für Metal-Organic Frameworks) bestehen aus Metallen, die durch Verbindungsstreben aus organischen Molekülen zu Netzwerken mit leeren Poren verbunden sind, ähnlich wie bei einem Schwamm. Ihre Volumeneigenschaften – würde man zwei Gramm dieses Materials entfalten, erhielte man die Fläche eines Fußballfeldes – machen sie interessant für Anwendungsbereiche wie die Gasspeicherung, Kohlendioxidabscheidung oder neue Technologien im Bereich Medizin.

Doch auch die Außenflächen dieser kristallinen Materialien bieten einzigartige Möglichkeiten, die sich das Forschungsteam nun mit einer neuen Idee zunutze machte: Es verankerte Kohlenwasserstoffketten auf dünnen MOF-Filmen. Dabei wurde ein Wasserkontaktwinkel von mehr als 160 Grad beobachtet – je größer der Winkel, den die Oberfläche eines Wassertropfens mit einem Substrat bildet, desto wasserabweisender ist das Material.

Nächste Generation von „superhydrophoben“ Materialien

 

Diese Ergebnisse schreibt das Team der bürstenartigen Anordnung (engl. polymer brushes) der Kohlenwasserstoffketten auf den MOFs zu. Diese können nach der Verankerung auf den MOF-Materialien besonders gut „Knäuel“ bilden – ein Zustand der Unordnung, den die Wissenschaft als „Zustand hoher Entropie“ bezeichnet und der für die wasserabweisenden Eigenschaften wesentlich ist.

Auf anderen Materialien habe man diesen Zustand für verankerte Kohlenwasserstoffketten nicht beobachtet, so die Forschenden.

Bemerkenswerterweise erhöhte sich der Wasserkontaktwinkel auch nicht durch eine Perfluorierung der Kohlenwasserstoffketten, also durch ein Ersetzen der Wasserstoffatome durch Fluor. Bei Materialien wie Teflon führt Perfluorierung zu besonders wasserabweisenden Eigenschaften. Bei dem neu entwickelten Material habe sie den Wasserkontaktwinkel aber sogar deutlich verringert, so das Team. Weitere Analysen in Computersimulationen hätten bestätigt, dass die perfluorierten Moleküle – anders als die Kohlenwasserstoffketten – nicht den energetisch günstigen Zustand hoher Entropie annehmen können.

 

Nächste Generation von „superhydrophoben“ Materialien

 

Diese Ergebnisse schreibt das Team der bürstenartigen Anordnung (engl. polymer brushes) der Kohlenwasserstoffketten auf den MOFs zu. Diese können nach der Verankerung auf den MOF-Materialien besonders gut „Knäuel“ bilden – ein Zustand der Unordnung, den die Wissenschaft als „Zustand hoher Entropie“ bezeichnet und der für die wasserabweisenden Eigenschaften wesentlich ist. Auf anderen Materialien habe man diesen Zustand für verankerte Kohlenwasserstoffketten nicht beobachtet, so die Forschenden.

Bemerkenswerterweise erhöhte sich der Wasserkontaktwinkel auch nicht durch eine Perfluorierung der Kohlenwasserstoffketten, also durch ein Ersetzen der Wasserstoffatome durch Fluor. Bei Materialien wie Teflon führt Perfluorierung zu besonders wasserabweisenden Eigenschaften.

Bei dem neu entwickelten Material habe sie den Wasserkontaktwinkel aber sogar deutlich verringert, so das Team. Weitere Analysen in Computersimulationen hätten bestätigt, dass die perfluorierten Moleküle – anders als die Kohlenwasserstoffketten – nicht den energetisch günstigen Zustand.

Die Studie wurde im Fachmagazin Materials Horizons veröffentlicht. (DOI: 10.1039/D4MH00899E)