Wasserabweisende Metalle

Forscher des US-Konzerns GE haben eine Methode entwickelt, mit der sich Metalle so behandeln lassen, dass sie stark wasserabweisend wirken. Die so genannte Superhydrophobizität sorgt dafür, dass sich Wasser zu einzelnen Tropfen verwandelt, wenn es auf die Oberfläche trifft. Ein Weiterfließen auf dem Material oder ein Anhaften sind nicht mehr möglich.

Die Erfindung baut auf früheren Studien des GE Global Research Center im amerikanischen Niskayuna auf. Vor zwei Jahren konnten Forscher dort zeigen, wie sich Lexan, ein häufig verwendeter Kunststoff, der sich etwa in CDs, MP3-Spielern, Flugzeugscheiben oder Autoscheinwerfern befindet, wasserabweisend machen lässt. Dazu wurde die Oberfläche chemisch behandelt, um sie rau werden zu lassen. Die Forscher haben den gleichen Effekt nun auf Metalloberflächen demonstriert.

Es gibt bereits diverse andere superhydrophobe Materialien, doch die meisten von ihnen sind Kunststoffe. Metalle würden hingegen ganz neue Anwendungsfelder bieten, wie Jeffrey Youngblood, Professor für Materialwissenschaften an der Purdue University, meint. "Metallstrukturen sind robuster und können ein härteres Umfeld überstehen. Damit wäre eine Nutzung in Bereichen möglich, wo Kunststoff fehl am Platze wäre, etwa in Flugzeugen, Zügen, Autos, schweren Maschinen und Motoren."

GE hat bereits einige Ideen, wo die neuen Materialien verwendet werden könnten. Eine davon wäre beim Enteisen von Flugzeugen. Eisbildung an den Motoren durch Wasserkondensation kann katastrophale Folgen haben. Derzeit wird Hitze verwendet, um sie zu verhindern, doch die kostet Energie. Eine Enteisung am Boden wird wiederum mit flüssigen Chemikalien durchgeführt, die häufig giftig sind – außerdem dauert sie zu lange. "Es wäre sehr wünschenswert, wenn wir ein Material hätten, an dem das Eis einfach nicht haften bleibt", meint Margaret Blohm, technologische Leiterin im Nanotechnologieprogramm des GE Global Research Center und beteiligt an dem Projekt.

Andere Nutzungsbereiche für die neuartigen Metalle könnten Gas- und Dampfturbinen sein. Die superhydrophoben Materialien reduzieren dort die Anreicherung von Feuchtigkeit und Verschmutzung, erhöhen dadurch die Effizienz. Auch würden sich die Wartungsnotwendigkeit reduzieren.

GE hat die Arbeit seiner Forscher noch nicht offiziell publiziert und nennt bislang nur erste Details. Erläutert wurde zum Beispiel, dass die Inspiration der Forscher vom bekannten Lotus-Effekt herrührte. Die Blätter der Pflanze besitzen eine nanokristalline Wachsstruktur. Diese Kristalle auf der Oberfläche, die nur einige Dutzend Nanometer breit sind, halten Wassertropfen in nahezu perfekter Kügelchenform.

Blohm zufolge experimentierte das GE-Team mit zwei verschiedenen Ansätzen, die superhydrophoben Metalle herzustellen. Der erste war eine Textur auf der Oberfläche, auf die dann eine wasserabweisende chemische Beschichtung kam. Der zweite: Die Metalloberfläche selbst wurde unberührt gelassen und die Beschichtung an sich besitzt eine Textur. Letztere Technik würde sich besonders breit einsetzen lassen und mit Metallen funktionieren, die bereits in Motoren und Turbinen verwendet werden, etwa Titanlegierungen.

Die Robustheit des Materials sei von zentraler Bedeutung für die High-Performance-Anwendungen, die GE plant, meint Gareth McKinley, Professor für Maschinenbau am MIT. Er glaubt, dass von den beiden Ansätzen die Veränderung der Materialoberfläche selbst am längsten halten würde. "Mit einer Beschichtung gibt es immer die Möglichkeit, dass sie abblättert oder anderweitig abhanden kommt. Veränderungen im Material sind sicherer."

Blohm zufolge haben jedoch beide Methoden ihre Vorteile, je nachdem, welches Ausgangsmaterial verwendet wird. "Die meisten Umgebungen, in denen die Metalle eingesetzt werden sollen, sind sehr rau, egal ob in Sachen Temperatur, Feuchtigkeit, Korrosion oder Verschmutzung", meint sie. Bei einigen Anwendungen werde man eine Textur im Metall wählen, während sich bei anderen Umgebungen auch eine Beschichtung eigne. Letztere lasse sich bei der Wartung auch ersetzen.

Noch ist das Optimum aber nicht gefunden. Die GE-Forscher testen derzeit viele verschiedene Modelle superhydrophober Metalle. Unterschiedliche Texturen und Beschichtungen werden geprüft, um zur gewünschten Anwendung passende Varianten zu finden. Das Material werde sowieso auf das jeweilige Umfeld maßgeschneidert, sagt Blohm. "Wenn uns ein Material gut gefällt, das vielleicht etwas teurer ist und zunächst nicht robust genug erscheint, investieren wir etwas, um es besser zu machen. Bis es herstellbar und haltbar genug ist." (bsc)