Neues Material weist Wasser nahezu vollständig ab

06.02.2025

Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Indian Institute of Technology Guwahati (IITG) haben ein Oberflächenmaterial entwickelt, das Wasser fast vollständig abweist. Durch eine gezielte Modifikation metallorganischer Gerüstverbindungen (MOFs) mit Kohlenwasserstoffketten entstehen extrem wasserabweisende Strukturen.

Bild: Schematische Darstellung der Eigenschaften von MOF-Oberflächen mit und ohne Kohlenwasserstoffketten; Copyright: KIT

Das Wasser abweisende Oberflächenmaterial eignet sich besonders für Anwendungen in der Architektur, Automobilbau und in der Medizintechnik.

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MOFs (Metal-Organic Frameworks) bestehen aus metallischen Knotenpunkten, die durch organische Moleküle miteinander verbunden sind. Ihre Struktur ermöglicht vielseitige Einsatzmöglichkeiten, etwa in der Gasspeicherung, der Kohlendioxidabscheidung und in biomedizinischen Anwendungen. Forschende haben nun die außenliegenden Flächen dieser Materialien gezielt modifiziert, um ihre Oberflächeneigenschaften weiterzuentwickeln.

Neue Methode zur Oberflächenmodifikation

Das Forschungsteam verankerte Kohlenwasserstoffketten auf dünnen MOF-Filmen. Dabei wurde ein Wasserkontaktwinkel von mehr als 160 Grad beobachtet. Dieser hohe Wert bedeutet, dass Wassertropfen nahezu keinen Kontakt zur Oberfläche haben und einfach abperlen. „Unsere Methode erzeugt superhydrophobe Oberflächen mit Kontaktwinkeln, die deutlich höher sind als die anderer glatter Oberflächen und Beschichtungen“, erklärt Prof. Christof Wöll vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT.

Einfluss von Perfluorierung und Oberflächenstruktur

Anders als erwartet, konnte die Wasserabweisung durch Perfluorierung der Kohlenwasserstoffketten nicht weiter verbessert werden. Stattdessen führte dieser Prozess zu einer Verringerung des Wasserkontaktwinkels. Dies steht im Gegensatz zu Materialien wie Teflon, bei denen Perfluorierung die wasserabweisenden Eigenschaften verstärkt.

Ein weiterer entscheidender Faktor war die Oberflächenrauheit. Durch gezielte Variationen im Nanometerbereich konnte die Haftung des Wassers auf dem Material weiter reduziert werden. Bereits bei sehr geringen Neigungswinkeln rollten Wassertropfen von der Oberfläche ab - ein Effekt, der für selbstreinigende Oberflächen besonders relevant ist.

Bedeutung der molekularen Anordnung

Die Forschenden schreiben die ausgeprägten hydrophoben Eigenschaften der bürstenartigen Anordnung der Kohlenwasserstoffketten auf den MOF-Filmen zu. Diese spezielle Struktur sorgt für einen Zustand hoher Entropie, wodurch die Moleküle eine ungewöhnlich starke Wasserabweisung erzeugen. „Unsere Arbeit bietet auch eine umfassende theoretische Analyse, die unerwartete experimentelle Verhaltensweisen mit dem Zustand hoher Entropie der an MOF-Filme angehefteten Moleküle verknüpft“, sagt Prof. Uttam Manna vom IITG.

Anwendungspotenzial in verschiedenen Branchen

Die Erkenntnisse dieser Studie könnten die Entwicklung wasserabweisender Materialien in verschiedenen Industriezweigen beeinflussen. Besonders in der Architektur, der Medizintechnik sowie in der Automobilindustrie könnten selbstreinigende Oberflächen dazu beitragen, die Wartungskosten zu senken und die Lebensdauer von Produkten zu erhöhen.

COMPAMED.de; Quelle: Karlsruher Institut für Technologie

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