Kunststoff fängt Trinkwasser ein

Wissenschaftler am MIT haben einen neuen Kunststoff entwickelt, der dank eines speziellen Oberflächenmusters Wasser gleichzeitig anziehen und abstoßen kann. Mit dem Material ließen sich beispielsweise einfache Geräte bauen, mit deren Hilfe Trinkwasser in Wüstengegenden aufgefangen werden könnte – außerdem eignet es sich zum Bau medizinischer und chemischer Testkomponenten.

Forscher arbeiten bereits seit längerem an Oberflächen, die entweder "superhydrophil" (also Wasser-anziehend) oder "superhydrophob" (Wasser-abstoßend) sind. Die Technik wird längst praktisch angewandt - beispielsweise in beschlagfreien Brillen oder Windschutzscheiben sowie selbstreinigenden Stoffen und Glasoberflächen. Den MIT-Forschern gelang es nun, beide sich eigentlich widersprechende Eigenschaften in einer Oberfläche zu vereinen. Das Praktische dabei: Den recht unkomplizierten Produktionsprozess erfanden sie gleich mit.

Robert Cohen, Michael Rubner und ihre Kollegen aus dem Institut für Material- und Ingenieurwissenschaften am MIT schufen einen Nano- strukturierten Kunststoff, dessen Oberfläche abwechselnd aus Schichten positiv und negativ geladener Polymere und Quarz- Nanopartikeln besteht. Diese Oberfläche sorgt zusammen mit einer wachsartigen, fluorierten Silanschicht dafür, dass auftreffendes Wasser sofort Tröpfchen in nahezu perfekter Kugelform bildet - es rollt einfach ab. Um Wasser-anziehende Flächen auf der gleichen Oberfläche zu schaffen, ergänzten die Forscher ein natürlich hydrophiles Polymer an bestimmten Stellen des Kunststoffes. Er saugt Tröpfchen förmlich an.

In den trockenen Regionen dieser Welt, in denen sauberes Trinkwasser Mangelware ist, ließe sich das neue Material zum Sammeln von Dunstfeuchtigkeit nutzen. Die Methode ist dabei ganz einfach: Der hydrophile Teil des Materials zieht Feuchtigkeit in der Luft an und sammelt sie in Form von Wassertropfen. Sind genügend Tropfen eingefangen, laufen sie in die hydrophobe Region des Stoffes hinein, von wo sie dann in einen Kanal abrollen. Derzeit sammeln die Menschen in Wüstenregionen Wasser aus dem Nebel des Morgens normalerweise mit Hilfe großer Polypropylennetze - ein eher ineffizientes Verfahren.

Der MIT-Stoff könnte die Wasserausbeute mehr als verzehnfachen, wie Andrew Parker, Biologe an der Oxford University und dem Natural History Museum in London, sagt. Parker erforscht eine Wüstenkäferart, von der sich die MIT-Forscher inspirieren ließen. "Stellen Sie sich vor, man würde dieses Material einfach auf den Hausdächern in Gegenden installieren, in denen Wüstennebel vorkommt. Eine Wasserversorgung ließe sich so mit wenig Aufwand herstellen."

Die MIT-Forscher gehen jedoch noch weiter: Co-Projektleiter Rubner arbeitet in seinem Labor an einer Erweiterung des Materials um eine antibakterielle Wirkung. Diese ist einfach in die hydrophile Schicht des neuen Kunststoffes eingebaut. Damit ließe sich das Wasser bereits beim Aufsammeln dekontaminieren und sogleich verwenden. Laut Rubner konnte man nachweisen, dass sich mit der antibakteriellen Beschichtung für den Menschen gefährliche Erreger innerhalb von vier Minuten abtöten ließen.

Der Kunststoff ließe sich auch im biomedizinischen und chemischen Bereich verwenden: Zum Bau so genannter Mikrofluid-Chips. Solche Komponenten enthalten Mikrometer-breite Kanäle, die zuvor in Silizium-, Glas- oder Kunststoff-Platten geätzt wurden. Mit Hilfe von Druck oder einem elektrischen Feld werden anschließend kleinste Mengen an Flüssigkeit (üblicherweise im Nanoliterbereich) durch diese Kanäle geleitet. Dabei werden Diagnose- und Gentests durchgeführt. Um beispielsweise auf ein bestimmtes Protein im Blut zu testen, wird eine Probe durch einen Kanal mit chemischen Reagenzien geleitet, die es identifizieren können.

Verglichen mit bereits verfügbaren Mikrofluid-Komponenten, könnte ein Chip, der auf dem MIT-Kunststoff aufbaut, eine deutlich enfachere Weiterleitung und Vermischung der Flüssigkeiten ermöglichen, wie Rubner meint. Derzeit werden Pumpen und Ventile benötigt, damit sich die Flüssigkeiten im Nanoliterbereich überhaupt vermischen. Mit Hilfe des hydrophoben und hydrophilen Materials könnte man diesen Prozess allein durch das Steuern der Flüssigkeitsmenge auslösen. Mit einer Pipette ließen sich dann präzise Mengen in zwei hydrophile Rillen geben, die nebeneinander liegen. Je mehr Flüssigkeit man hinzugibt, desto stärker verwölben sich die Tröpfchen am Rande der Rinne. Der Grund sind die umliegenden hydrophoben Bereiche. Ist die Flüssigkeitsmenge schließlich zu groß, kommt es zu einem Überlauf: Die Stoffe vermischen sich. Mit Hilfe des neuen Materials ließen sich zu dem Flüssigkeiten auf kleine Regionen innerhalb des Chips konzentrieren, auf denen es dann zu chemischen Reaktionen kommt. Diese ließen sich so besser kontrollieren. Laut Rubner vermischen sich auch nebeneinander liegende Tropfen nicht, so lange man sie nicht zur Mischung zwingt.

Neben solchen Ideen ergeben sich noch ganz andere Anwendungsbereiche für den neuen Kunststoff, die bislang noch gar nicht erfunden sind. Forscher wie Kenneth Wynne, Professor für Chemieingenieurwesen an der Virginia Commonwealth University, halten die Anordnung superhydrophiler Bereiche auf einer superhydrophoben Oberfläche jedenfalls für "neu und enorm nützlich".

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)