Fundamentals and Applications of Super-Liquid-Repellent Surfaces
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Superhydrophobe, superflüssigkeitsabweisende bzw. superomniphobe Oberflächen erzielten in den letzten zwei Jahrzehnten große Aufmerksamkeit in Industrie und Wissenschaft. Auf diesen Oberflächen nehmen Flüssigkeitstropfen eine fast sphärische Form an und rollen sehr leicht ab. Trotz des großen Fortschritts in diesem Forschungsfeld ist die Bewegung von Tropfen auf solchen Oberflächen nicht gut verstanden. Während es vielzählige Methoden zur Herstellung solcher Oberflächen auf offenen und flachen Substraten gibt, stellt sich die Beschichtung von komplexeren Geometrien, wie langen Schläuchen, als schwierig heraus. Für den Erfolg dieser Oberflächen ist es essenziell, neue und vielversprechende Applikationen zu entwickeln. Dazu ist es wichtig, die Vorteile und Herausforderungen dieser Oberflächen für industrielle und großskalige Anwendungen zu verstehen. Um sich dieser Aufgabe anzunähern, kombiniert diese Arbeit fundamentale und angewandte Aspekte. Auf der einen Seite werden die Bewegung und laterale Adhäsion von Tropfen auf superhydrophoben Oberflächen untersucht, um zum Beispiel ein tieferes Verständnis für die Frage, wie die Selbstreinigung dieser Oberflächen funktioniert und was deren Grenzen sind, zu erlangen. Auf der anderen Seite werden neuartige und verbesserte Oberflächen designt. Die Fragenstellungen sind hierbei u. a. durch umweltrelevante und soziale Erfordernisse motiviert. Wie zum Beispiel: Kann man CO2 mit Hilfe von superflüssigkeitsabweisenden Membranen effektiver abscheiden, um die CO2-Emissionen, beispielweise in Kraftwerken, zu senken? — Um eine maximale Packungsdichte an Gasaustauschmembranen zu erhalten, müssen Flachmembranen durch poröse superflüssigkeitsabweisende Schläuche oder Rohre ersetzt werden. Hierzu wird eine Methode zur Herstellung von meterlangen superflüssigkeitsabweisenden Schläuchen entwickelt. Langzeit- und biomedizinische Gasaustauschanwendungen wie beispielsweise Blutoxygenierung setzen Anti-Biofoulingeigenschaften voraus. Daher werden ebenfalls die antibakteriellen Eigenschaften der beschichteten Schläuche untersucht. Schließlich werden die Designkonzepte auf einen anderen Typ von Materialen übertragen, den Flüssigkeitsmurmeln. Hierbei werden sogenannte polyedrische Flüssigkeitsmurmeln entwickelt und charakterisiert. Der erste Teil dieser Dissertation beantwortet die Frage, wie Tropfen sich auf hydrophoben und superhydrophoben Oberflächen bewegen. Im Speziellen, was die beteiligten Kräfte während des Anfangs sowie während der Bewegung der Tropfen sind. Es wird gezeigt, dass die laterale Adhäsionskraft zwischen einem Tropfen und einer festen Oberfläche in einen Haft- und Gleitbereich unterteilt werden kann. Diese Erkenntnis ist unerwarteterweise ähnlich zur Fest-Fest-Reibung. Im Haftbereich nimmt die Kraft auf den Tropfen bis zu einer gewissen kritischen Kraft zu. Nachdem diese kritische Kraft überwunden ist, fängt der Tropfen an, sich zu bewegen und die Reibungskraft nimmt im Gleitbereich auf ein konstantes Niveau ab. Diese Analogie ist gültig für verschiedene Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen auf glatten sowie auf rauen Oberflächen. Der zweite Teil untersucht eine der relevantesten Applikationen und Eigenschaften von superhydrophoben Oberflächen, welche ursprünglich durch das Lotusblatt inspiriert wurde: die Selbstreinigung. Kontaminationen wie Staub werden problemlos von Wassertropfen, die über die Oberflächen rollen, mitgenommen. Trotz des großen Interesses an den selbstreinigenden Eigenschaften, gibt es nur wenige Erkenntnisse über den Einfluss der Kontaminationspartikelgröße, speziell auf der Nanoskala und wie der Selbstreinigungsprozess auf der Mikrometerskala abläuft. Es wird gezeigt, dass die Porengröße der superhydrophoben Oberfläche kleiner als die Kontaminantgröße sein muss, um eine verunreinigungsresistente Oberfläche herzustellen. Der Selbstreinigungsprozess wird auf der Mikrometerskala durch Verwendung von konfokaler Mikroskopie visualisiert und die lateralen Kräfte, während Tropfen sich über die kontaminierten Oberflächen bewegen, werden quantifiziert. Dies führt zu einem tieferen Verständnis des Selbstreinigungsprozesses. Außenbewitterungs- (>200 Tage) sowie industrielle, standardisierte Kontaminationstests zeigen, dass superflüssigkeitsabweisende Oberflächen mit Poren im Nanometerbereich Verunreinigungen im Allgemeinen widerstehen können. Der dritte Teil fokussiert sich auf die Entwicklung einer neuartigen Anwendung für superomniphobe Oberflächen: die Verwendung als Gasaustauschmembranen. Eine chemisch, mechanisch und thermisch stabile superomniphobe Membran für die CO2-Abscheidung wird hergestellt. Diese Membran kann stark basische und konzentrierte Aminlösungen abweisen, welche zur CO2-Abscheidung, zum Beispiel in Kraftwerken, verwendet werden. Die Membran verfügt über eine große Flüssigkeit-Gas-Austauschfläche und die abweisenden Eigenschaften verhindern, dass die Membran benetzt wird, was üblicherweise zur Reduzierung der Gasaustauscheffizienz führt. Dies resultierte in Performanceverbesserungen von bis zu 40% im Vergleich zu kommerziellen Membranen. Im vierten Teil wird eine Vorgehensweise zur Beschichtung des Inneren von meterlangen und schmalen Schläuchen (bis zu einem 1 mm Innendurchmesser) entwickelt. Eine oxidative Fentonlösung wird zur Aktivierung durch die Schläuche gepumpt und im Anschluss wird eine superflüssigkeitsabweisende Nanofilament-Beschichtung in den Schläuchen aufgebracht. Diese Methode kann zur Beschichtung von Schläuchen und Rohren aus unterschiedlichen Materialien, von Polymeren und organisch/anorganischen Hydriden bis hin zu Keramiken und Metallen, verwendet werden. Die superflüssigkeitsabweisende Beschichtung wird auf medizinischen Katheterschläuchen aufgebracht und deren antibakterielle Eigenschaften werden untersucht. Es zeigt sich, dass die Nanofilamente ausgeprägte antibakterielle Eigenschaften besitzen und diese unabhängig vom Benetzungszustand erhalten bleiben. Dies macht die beschichteten Schläuche zu einem vielversprechenden Material für antibakterielle Katheter und des Weiteren könnte die Beschichtung auch auf porösen Schläuchen für Gasaustauschanwendungen aufgebracht werden. Der fünfte Teil benutzt mobile, superhydrophobe Schichten, um Tropfen einzuschließen, was zur Entstehung einer Flüssigkeitsmurmel führt. Hierbei wird ein neuer Typ von Flüssigkeitsmurmeln eingeführt, die sogenannten polyedrischen Flüssigkeitsmurmeln. Hydrophobe hexagonale Plättchen adsorbieren an der Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche, um den Tropfen zu stabilisieren. Die Plättchen sind durch kleine Luftlücken voneinander getrennt, was einer superhydrophoben Mikrosäulenschicht ähnelt. Die Plättchen können sich zu hochgeordneten, hexagonalen Domänen selbstorganisieren. Es können Flüssigkeitsmurmeln bestehend aus lediglich vier bis sechs Plättchen mit tetraedrischen, pentaedrischen und kubischen Formen realisiert werden. Hochasymmetrische, polyedrische Flüssigkeitsmurmeln und -buchstaben werden aufgrund der starken Grenzflächenblockierung durch die steifen hexagonalen Plättchen erhalten. Die polyedrischen Flüssigkeitsmurmeln zeigen verschiedene stimuli-responsive Eigenschaften, sobald man diese Wasser-, Ammoniak- oder Tetrahydrofurandämpfen aussetzt. Die Gase werden durch kleine Luftlücken zwischen den Plättchen ausgetauscht.