Mit einem völlig neuen Verfahren veränderten Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Indian Institute of Technology Guwahati (IITG) metallorganische Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks). Diese, abgekürzt auch als MOFs bekannt, bestehen aus Metallen, die durch Verbindungsstreben aus organischen Molekülen zu Netzwerken mit leeren Poren verbunden sind, ähnlich wie bei einem Schwamm. Ihre Volumeneigenschaften sind enorm: würde man zwei Gramm dieses Materials entfalten, erhielte man die Fläche eines Fußballfeldes. Dies macht sie interessant für Anwendungsbereiche wie die Gasspeicherung, Kohlendioxidabscheidung oder neue Technologien in der Medizin.
Kohlenwasserstoffketten auf MOF-Filmen verankert
Die Außenflächen dieser kristallinen Materialien machte sich das Forschungsteam zunutze. 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. „Unsere Methode erzeugt superhydrophobe Oberflächen mit Kontaktwinkeln, die deutlich höher sind als die anderer glatter Oberflächen und Beschichtungen“, sagt Professor Christof Wöll vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT.
Nächste Generation superhydrophober Materialien
Diese Ergebnisse schreibt das Team der bürstenartigen Anordnung der Kohlenwasserstoffketten auf den MOFs zu. Diese können nach der Verankerung auf den MOF-Materialien besonders gut „Knäuel“ bilden – einen Zustand hoher Entropie, 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 ein Ersetzen der Wasserstoffatome durch Fluor. Bei Materialien wie Teflon führt Perfluorierung zu besonders wasserabweisenden Eigenschaften. Bei dem neu entwickelten Material habe sich der Wasserkontaktwinkel aber sogar deutlich verringert, meldet 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.
Haftung weiter reduziert
Darüber hinaus variierte das Forschungsteam die Oberflächenrauheit ihrer SAM@SURMOF-Systeme im Nanometerbereich. Dadurch gelang es, die Haftung weiter zu reduzieren. Wassertropfen beginnen dann schon bei extrem kleinen Neigungswinkeln abzurollen, die wasserabweisenden bzw. selbstreinigenden Eigenschaften werden nochmals deutlich erhöht. „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 Professor Uttam Manna von der Abteilung für Chemie des IITG. „Diese Studie wird die Gestaltung und Produktion der nächsten Generation von Materialien mit optimalen hydrophoben Eigenschaften verändern.“
Die Studie wurde im Fachmagazin Materials Horizons veröffentlicht.