The significance of surface topography in the synthesis and application of (super-)liquid-repellent surfaces
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Abstract
In den letzten Jahrzehnten haben die charakteristischen Benetzungseigenschaften von (super-)flüssigkeitsabweisenden Oberflächen viel Aufmerksamkeit in Industrie und Wissenschaft erregt. Die Oberflächen zeichnen sich durch eine geringe laterale Adhäsion aus; Tropfen rollen ab, wenn die Oberflächen um nur wenige Grad geneigt werden. Trotz umfangreicher Forschung auf diesem Gebiet ist ihr kommerzieller Einsatz bisher durch Schwierigkeiten in der Herstellung, die chemische Kompatibilität und die mechanische Stabilität begrenzt. In der vorliegenden Dissertation werden sowohl fundamentale als auch angewandte Aspekte untersucht, um das grundlegende Verständnis dieser Oberflächen zu verbessern und ihre möglichen Anwendungen voranzubringen.
Die großtechnische Herstellung von Überhangstrukturen, wie sie für die Abweisung von Flüssigkeiten mit niedrigen Oberflächenspannungen benötigt werden, stellt eine große Herausforderung dar. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine einstufige Methode zur Synthese partikelbasierter Oberflächen mit kontrollierbaren Strukturen entwickelt: Bei der Flammensprühpyrolyse können eine Vielzahl von Parametern variiert und so der Durchmesser der Nanopartikel und die Aggregation in Strukturen auf der Mikrometerskala unabhängig voneinander kontrolliert werden. Im ersten Teil dieser Dissertation werden diese partikelbasierten Strukturen im Hinblick auf das Zerplatzen einzelner Blasen und die Entschäumung optimiert. Durch die Optimierung der Oberflächentopografie auf der Nano- und Mikrometerskala kann das Zerplatzen einzelner Blasen auf eine minimale Zeit von nur 2 ms reduziert werden. Die porösens Oberflächen zeigen im Verlauf der Experimente exzellente mechanische und chemische Stabilität. Schließlich wird das Konzept des passiven Zerplatzens von Blasen angewandt, um die Abscheideleistung einer Schaumflotationsanlage erheblich zu steigern.
Die außerordentlichen Benetzungseigenschaften von superflüssigkeitsabweisenden Oberflächen beruhen in der Regel auf einer Minimierung der Oberflächenenergie durch die Funktionalisierung mit Fluoralkylsubstanzen. Diese Gruppe von Chemikalien hat sich als potenzielles Umwelt- und Gesundheitsrisiko erwiesen, was die Anwendbarkeit von fluorierten Oberflächenmodifikationen einschränkt. Im zweiten Teil wird eine fluorfreie, superflüssigkeitsabweisende Oberfläche durch die Kombination von partikelbasierten Strukturen und einer Beschichtung aus kovalent gebundenem, linearem Polydimethylsiloxan entwickelt. Da auf Fluor verzichtet wird, spielt die Oberflächentopografie eine noch entscheidendere Rolle. Bisher war nur eine Oberflächenmodifikation mit doppelt einspringenden Überhangstrukturen, hergestellt durch ein mehrstufiges Ätzverfahren, in der Lage, Flüssigkeiten mit einer Oberflächenspannung von weniger als 48 mN/m abzustoßen. Durch die Optimierung der Strukturen, hergestellt mittels Flammensprühpyrolyse, können hier Tropfen einer Wasser-Ethanol-Lösung mit einer Oberflächenspannung von nur 31 mN/m problemlos abrollen und abprallen.
Der dritte Teil beschäftigt sich ausführlicher mit der Benetzbarkeit von Polydimethylsiloxan-funktionalisierten Oberflächen. Das flüssigkeitsähnliche Verhalten, hervorgerufen durch die hohe Mobilität der kovalent gebundenen Ketten, ist je nach Wechselwirkung mit der jeweiligen Probenflüssigkeit unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Wechselwirkungen können mit Hilfe des Hansen-Löslichkeitsparameters und eines Quellverhältnisses abgeschätzt werden. Die Auswirkungen unterscheiden sich fundamental, je nach Oberflächentopografie. Auf strukturierten Oberflächen kann ein durch starke Wechselwirkungen hervorgerufenes Quellen der Polydimethylsiloxan-Ketten den Cassie-Wenzel-Übergang herbeiführen, unabhängig von vergleichsweise hohen Oberflächenspannungen. Auf glatten Oberflächen hingegen führt die durch das Quellen erhöhte Mobilität der Polydimethylsiloxan-Ketten zu verstärkten flüssigkeitsähnlichen Oberflächeneigenschaften. Lösungsmittelabhängige Wechselwirkungen sind demnach ein entscheidender Faktor, der bei der Entwicklung und Charakterisierung von (super-)flüssigkeitsabweisenden Oberflächen zu berücksichtigen ist.
Eine weitere Strategie, um den Einsatz von Fluor zu vermeiden, ist die Anwendung von porösen Oberflächenstrukturen, die mit einem Schmiermittel, zum Beispiel Silikonöl, imprägniert werden. Diese Oberflächenmodifikationen sind vielversprechende Kandidaten für den Schutz von Flugzeugen oder Windkraftanlagen vor Vereisung, da sie die Nukleation von Frost hinauszögern und die Adhäsion von Eis sehr gering ist. Ihr kommerzieller, langfristiger Einsatz wird jedoch häufig durch den Verlust des Schmiermittels und somit der flüssigkeitsabweisenden Eigenschaften verhindert. Wachsende Frostkristalle üben starke Kapillarkräfte auf das Schmiermittel aus, wodurch es aus der Oberflächenstruktur in die Kristalle gezogen wird. Im vierten Teil werden die Kapillarkräfte ausbalanciert und somit der Schwund des Schmiermittels verhindert, indem die Zwischenräume der partikelbasierten Oberflächenstrukturen optimiert werden.
Im fünften Teil wird der Einfluss der Oberflächenstruktur auf die Adhäsion von Bakterien untersucht. Es wurde bereits gezeigt, dass beispielsweise Silikon-Nanofilamente die Adhäsion von Bakterien sowohl im superhydrophoben als auch im benetzten Zustand wirksam reduzieren. Die faserigen Strukturen auf einer Längenskala knapp unterhalb der Größe einzelner Bakterien bieten eine stark reduzierte Anzahl von Anhaftungsstellen. Hier wird das Konzept zur passiven Verringerung von bakterieller Adhäsion auf partikelbasierten Oberflächen, hergestellt mittels Flammensprühpyrolyse, untersucht.