WASSERSTRAHLREFLEXION AN NANOBESCHICHTETEN OBERFLÄCHEN

Du machst mich nicht nass!

Im Pflanzen- oder Tierreich können ganz unterschiedliche Oberflächen mit wasserabweisender Wirkung beobachtet werden. Eine wichtige Bedingung für diese (super)hydrohobe Eigenschaft ist eine vorliegende Mikro- und Nanostrukturierung des unpolaren Oberflächenmaterials.

Wasserstrahlreflexion
Foto: Stefan Schwarzer Foto: Stefan Schwarzer

Sind die genauen Gründe dieser Nichtbenetzbarkeit chemisch sowie physikalisch verstanden, lässt sich dieses Wissen in technische Prozesse übertragen und folglich neue Materialien mit der gewünschten Eigenschaft herstellen. Daraus resultieren Alltagsprodukte, die wir täglich verwenden, z.B. bei der Imprägnierung von Textilien oder in der Autowaschanlage. Aber verstehen wir als Verbraucher die Chemie, Biologie und Physik dahinter? Dazu gehören auftretende Effekte auf Oberflächen, wie eine direkt zu beobachtende Wasserstrahlreflexion. Hier erregte 2015 ein Internetvideo mit dem Titel „St. Pauli pinkelt zurück“ große mediale Aufmerksamkeit und erhielt bis heute über fünf Millionen Zugriffe auf einer bekannten Video-Plattform, s. Link weiter unten im Beitrag. Thematisiert wird in dem Video eine Fassadenversiegelung, die effektvoll in der Lage ist, einen Wasserstrahl abprallen zu lassen. Es handelt sich dabei nicht um ein Faktenvideo, sondern vielmehr um eine Werbekampagne, um auf die Verschmutzung durch öffentliches Urinieren im Hamburger Stadtteil St. Pauli aufmerksam zu machen.

Der Lotos-Effekt

Was aber steckt hinter diesem Anwendungsprodukt? Lässt sich die Reflexion eines Wasserstrahls auch auf anderen Materialien beobachten?

Ebenfalls auf natürlichen Oberflächen tritt die Reflexion auf: Immer dann wenn eine hinreichend raue und wasserabweisende Fläche vorhanden ist. Die Blätter der heimischen Kapuzinerkresse oder der Lotos-Pflanze weisen dieses einfach wahrzunehmende, überraschende Phänomen der Reflexion auf, welches mittels Energieerhaltung schulgerecht beschrieben werden kann. Liegt ein Lotos-Effekt vor, tritt auch eine Wasserstrahlreflexion auf. Hier trifft ein Wasserstrahl auf ein Blatt superhydrophober Kapuzinerkresse und wird entsprechend reflektiert. Auf dem Foto oben ist das Wasser zur besseren Sichtbarkeit mit Lebensmittelfarbe rot angefärbt.

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Aus der Sicht eines Unternehmens und aus wirtschaftlichen Gründen verständlich, für eine didaktische Ergründung im Chemieunterricht allerdings sehr nachteilig, ist das Geheimhalten der genauen Zusammensetzung von Lotos-Versiegelungsprodukten für Oberflächen. Entsprechende Patentschriften werden mit Absicht vage gehalten, so dass das Produkt vor Nachahmung geschützt ist und nicht ohne zusätzliches Wissen kopiert werden kann. Bei den meisten Alltagsprodukten, die einen Lotos-Effekt imitieren, ist von einem Zusammenwirken mehrerer Faktoren, wie struktureller Beschaffenheit und Polarität der Oberfläche, auszugehen. So auch im Falle der Beschichtung, die auf St. Pauli „verwendet“ wird. Einerseits findet eine Hydrophobisierung auf Basis von Alkyl-triethoxy-Silanen, mit einer Summenformel von (C2H5-O-)3Si-CnH2n+1, in Butanon als Lösungsmittel statt. In Gegenwart eines Katalysators und unter Hydrolyse werden die drei vorhandenen Ethoxy-Gruppen des Silans abgespalten. Es entstehen drei Hydroxy-Gruppen. Diese wiederum können unter Wasserabspaltung an Hydroxy-Gruppen der Oberfläche binden. Wie auch schon bei dem durch ein Oxidationsmittel und eine Fettsäure modifizierten Kupferplättchenversuch erfüllen diese langkettigen Alkylresten des Silans eine wichtige Aufgabe auf der zu schützenden Oberfläche. Fest verankert sorgen sie für eine Abschirmung und Hydrophobierung. Ergänzt wird diese Wirkung durch eine Mikro- und Nanostrukturierung, z.T. die (natürliche) Rauigkeit der Oberfläche.

Modellhafte Darstellung
Bild: Stefan Schwarzer Bild:Stefan Schwarzer

Die modellhafte Darstellung der funktionalisierten Oberfläche ist als Zusammenspiel von Struktur und Polaritätseigenschaft zu verstehen. Neben einer mikrostrukturierten Oberfläche kann eine Nanostrukturierung auftreten, wenn mehrere Alkylreste agglomerieren. Es ist im Chemie- und Biologieunterricht in wenigen Schritten möglich eine Oberfläche mit Lotos-Effekt, die einen Wasserstrahl reflektiert, herzustellen. Nähere Informationen siehe hier:

  • Bethke, C.; Adelung, R.; Schwarzer, S.: Generierung einer mikro- und nanostrukturierten Kupferoberfläche mit Lotos-Effekt – Ein Versuch für die Sekundarstufen I und II.CHEMKON 24(2017/1), S. 31-38
  • Schwarzer, S.; Liedtke, P.; Adelung, R.: Untouchable: Erstaunliches auf der Oberfläche - Benetzbarkeit von unpolaren, mikro- und nanostrukturierten sowie heißen Oberflächen im Chemie- und Physikunterricht untersuchen. MNU 70(5/2017), S. 327-334
  • Schwarzer, S.; Liedtke, P.; Adelung, R.: St. Pauli und das Phänomen der Wasserstrahlreflexion? Natürliche, nano- und mikrostrukturierte Oberflächen mit Lotos-Effekt inspirieren zur Untersuchung neuer Materialien. UC 27(2016) Nr. 152, S. 34-38
     

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Fakten zum Artikel
Unterricht Schuljahr 10-11