Lösungsmittelchemie Sensoren und Sonnenkollektoren einfach aufdrucken
Mit einem Trick vermeiden Forscher, dass sich beim Trocknen von Tropfen ein Ring bildet. Das hat weitreichende Auswirkungen.
Sprüht man in Wasser gelöste Stoffe auf eine Oberfläche und lässt sie trocknen, entsteht eine löchrige Schicht. Denn die Inhaltsstoffe wandern beim Trocknen an den Rand der Wassertröpfchen. Funktionale Oberflächenbeschichtungen waren daher auf diese Art bislang unmöglich. Mit einem Trick ist es Forschern um Prof. Dr. Nicolas Plumeré und Prof. Dr. Thomas Happe von der Ruhr-Universität Bochum (RUB) jetzt gelungen, gleichmäßige Beschichtungen herzustellen. Sie versahen die im Wasser gelösten Moleküle mit einer kleinen Schwefelgruppe, die beim Kontakt mit Sauerstoff die Moleküle dazu zwingt, sich miteinander zu vernetzen. So bilden sie nach dem Trocknen eine gleichmäßige Schicht. Die Forscher berichten im renommierten Journal „Chemical Science“, online vorab veröffentlicht am 23. August 2018.
Warum Kaffeetropfen Ringe bilden
Jeder kennt das Bild: Ein verkleckerter Kaffeetropfen trocknet auf dem Tisch. Was zurückbleibt, ist ein dunkler Ring mit einem Loch in der Mitte. Die Inhaltsstoffe des Kaffees wandern mit dem Wasserstrom innerhalb des Tropfens an dessen äußere Grenze zwischen Tisch, Tropfen und Luft, wo die Flüssigkeit verdunstet. Dieser sogenannte Coffee Ring Effect ist schuld daran, dass sich im Wasser gelöste Inhaltsstoffe ungleichmäßig auf einer Oberfläche verteilen. „Empfindliche High-Tech-Oberflächenbeschichtungen mit bestimmten Eigenschaften konnte man deswegen auf diese Weise bisher nicht herstellen“, sagt Nicolas Plumeré, Leiter der Forschergruppe Molekulare Nanostrukturen und Mitglied des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv.
Schonend beschichten
Die Beschichtung von Oberflächen mittels Besprühen durch kleinste Tröpfchen mit darin gelösten Materialien ist für das Trägermaterial aber wesentlich schonender als viele andere Methoden. Um sie nutzen zu können, haben Plumeré und seine Kollegen eine Methode entwickelt, die den Effekt austrickst.
Schwefel erzwingt eine Bindung
Dazu versahen sie die im Wasser gelösten Moleküle mit einer kleinen Schwefelgruppe, die so verpackt ist, dass sie nur im Kontakt mit Sauerstoff aktiv wird. Trocknet ein Tröpfchen der Lösung, kommt der Sauerstoff ins Spiel. Die Schwefelgruppe zwingt dann die im Wasser gelösten Moleküle dazu, sich miteinander zu verbinden, so dass sie ein Netz bilden. „Der Tropfen ist dann nicht mehr flüssig, sondern eine Art Gel“, veranschaulicht Plumeré. Die Moleküle können damit nicht mehr an den Rand des Wassertropfens wandern und bleiben während des Trocknens an Ort und Stelle. So entsteht eine gleichmäßige Schicht ohne Löcher. Die Schwefelgruppe beeinflusst die Funktionalität der späteren Beschichtung nicht.
Senkrecht lückenlos beschichten
Diese Technik erlaubt es, selbst senkrechte Oberflächen sehr gleichmäßig mit in Wasser gelösten Materialien zu beschichten. Damit gelang es den Wissenschaftlern unter anderem, einen Nitratsensor gleichmäßig lückenlos und reproduzierbar mit hochempfindlichen Enzymen zu beschichten.
Methode ist auf andere Anwendungen übertragbar
„Es sind zahlreiche weitere Anwendungen denkbar“, sagt Plumeré. „So wäre es zum Beispiel möglich, Solarkollektoren praktisch direkt auf Dächer aufzudrucken.“
