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Oberflächenbeschichtung

Nachwuchsingenieur entwickelt vollkommen wasserabweisende Oberfläche

| Redakteur: Katharina Juschkat

Ein Nachwuchsingenieur hat eine Methode entwickelt, mit der Oberflächen vollkommen wasser- und eisabweisend werden. Geholfen hat dabei ein Laser.

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Stephan Milles von der TU Dresden hat es geschafft, eine Aluminiumoberfläche so mit einem laserbasierten Verfahren zu bearbeiten, dass Wasser komplett abperlt.
Stephan Milles von der TU Dresden hat es geschafft, eine Aluminiumoberfläche so mit einem laserbasierten Verfahren zu bearbeiten, dass Wasser komplett abperlt.
(Bild: Tobias Ritz)

Im Bruchteil einer Sekunde rollt der Tropfen über die Oberfläche, mit dem bloßen Auge kaum zu erkennen. Er hat keine Chance, auf der Struktur Halt zu finden. Eine solche Oberfläche, auf der weder Wasser und wasserähnliche Flüssigkeiten noch Eis hält, wäre für denkbar viele Anwendungen praktisch. Entwickelt und wissenschaftlich nachgewiesen hat das jetzt ein Nachwuchswissenschaftler der TU Dresden, Stephan Milles. Dafür hat der Ingenieur eine Aluminiumplatte so mit einem Laser strukturiert, dass Wassertropfen und wasserähnliche Flüssigkeiten darauf nicht mehr halten – die Oberfläche wird superhydrophob. Den wissenschaftlichen Beweis dafür hat er jetzt im „Scientific Reports“ veröffentlicht.

So sieht der wasserabweisende Effekt aus:

Anwendungsmöglichkeiten in der Industrie

Seit zwei Jahren forscht Stephan Milles an einer Oberflächenstruktur, auf der kein Tropfen mehr hält und die Vereisung stark verzögert ist. Dabei hat er sich von vorn herein für Aluminium entschieden, weil es ein sehr industrienaher Werkstoff ist. Milles erklärt: „Wenn ein Flugzeug durch Wolken fliegt, hilft es schon, wenn die Vereisung von Tragflächen, Triebwerken und Sensorelementen um ein paar Sekunden verlangsamt wird.“

Auch die Rotorblätter von Windrädern, riesige Tanks für Flüssigkeiten der Lebensmittelindustrie oder Messgeräte bestehen aus Aluminium und reagieren sensibel auf Eis. Die Entwicklung des 28-Jährigen ist daher eine echte Alternative zu bisherigen Verbundwerkstoffen oder der Beschichtung von Oberflächen und bietet neue industrielle Möglichkeiten. Für die Strukturierung von Materialien sind nun keine zusätzlichen Chemikalien oder Reinraumbedingungen mehr notwendig.

Lotoseffekt: Inspiration aus der Natur

Der Tropfen auf einer wasserabweisenden Oberfläche bleibt rund (links), wohingegen der Tropfen auf der unbehandelten Oberfläche breit läuft (rechts). Eine Oberfläche gilt dann als besonders wasserabweisend (superhydrophob), wenn der Winkel zwischen Oberfläche und Tropfen mindestens 150 Grad beträgt.
Der Tropfen auf einer wasserabweisenden Oberfläche bleibt rund (links), wohingegen der Tropfen auf der unbehandelten Oberfläche breit läuft (rechts). Eine Oberfläche gilt dann als besonders wasserabweisend (superhydrophob), wenn der Winkel zwischen Oberfläche und Tropfen mindestens 150 Grad beträgt.
(Bild: Tobias Ritz)

Die Besonderheit seiner Struktur erklärt Milles: „Nicht alle wasserabweisenden Oberflächen sind gleichzeitig eisabweisend. Meine Struktur kann beides.“ Um diesen Effekt zu erzielen, hat der Maschinenbauer eine komplexe Struktur mit einem bestimmten laserbasierten Verfahren aufgebracht – als Erster.

Dabei hat er sich von der Natur inspirieren lassen. Der selbstreinigende Lotoseffekt, den man auch vom Schmetterlingsflügel kennt, basiert auf einer mikro- und nanostrukturierten Oberfläche. „Die große Herausforderung war, zunächst eine Struktur zu finden, die zehnmal kleiner ist als ein menschliches Haar und diese dann noch filigraner zu gravieren“, erklärt der Ingenieur.

Ziel, in wenigen Minuten einen Quadratmeter Aluminium lasergravieren

Die mit einem Laser bearbeitete Aluminiumoberfläche ist wasser- und eisabweisend. Der Abstand der einzelnen Strukturelemente (Abstand „Berg“ zu „Berg“) beträgt 7 Mikrometer. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 50 bis 80 Mikrometern.
Die mit einem Laser bearbeitete Aluminiumoberfläche ist wasser- und eisabweisend. Der Abstand der einzelnen Strukturelemente (Abstand „Berg“ zu „Berg“) beträgt 7 Mikrometer. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 50 bis 80 Mikrometern.
(Bild: Milles/TUD)

Im Moment arbeitet Milles daran, Aluminiumplatten großflächig und wirtschaftlich bearbeiten zu können. Aus diesem Grund hat er sich von vorn herein hauptsächlich für das Laserinterferenzverfahren entschieden. Er erklärt: „Nur das Laserinterferenzverfahren kann unterschiedliche Oberflächen in kürzester Zeit filigran strukturieren. Erst wenn ein Quadratmeter Aluminium in wenigen Minuten lasergraviert werden kann, wird das Verfahren spannend für die Industrie. Andere Verfahren würden aktuell noch mehrere Stunden für die Oberflächenstrukturierung eines Quadratmeters brauchen und hätten dabei trotzdem keine mikro- und nanometergroße Struktur hergestellt.“

Die Forschungsarbeit von Milles, der zu diesem Thema gerade bei dem Laserexperten Prof. Andrés Fabián Lasagni promoviert, wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Reinhart Koselleck-Projektes zur „Herstellung von großflächigen, zwei- und dreistufigen multiskaligen Strukturen mit multifunktionalen Oberflächeneigenschaften mittels Laser basierten Methoden“ gefördert. Im Juni wurde Milles auf der internationalen Konferenz „International Conference on Nature Inspired Surface Engineering“ in New Jersey, USA dafür ausgezeichnet.

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