Flexibilität erhöht Wasserfestigkeit

Man kann die Wasserfestigkeit von Oberflächen erhöhen, indem man sie flexibel und elastisch gestaltet. Dies haben Forschende unter der Leitung von ETH-Professor Dimos Poulikakos aufgezeigt. Sie verglichen extrem wasserabweisende (superhydrophobe) Folien auf einer festen Unterlage mit Folien, die so aufgehängt sind, dass ihre Flexibilität zum Tragen kommt. In Bezug auf Dicke und Elastizität optimal gestaltete aufgehängte Folien waren dabei bis zu 1,6 mal wasserabweisender als solche auf einer Unterlage.

Tom Schutzius, Wissenschaftler in Poulikakos‘ Gruppe, beschreibt die Vorzüge von flexiblen Materialien anhand eines wasserabweisenden Materials im Regen: «Regentropfen kollidieren mit der Oberfläche. Ist das Material elastisch, wird die Kollision abgefedert, der Tropfen wird dabei etwas zurückgeworfen. Ist es nicht flexibel, ist die Kollision heftiger, und die Oberfläche wird dadurch eher benetzt.»

Nanopartikel, Chemie und Elastizität

Fachleute sprechen von superhydrophoben Oberflächen, wenn Wassertropfen daran abperlen und bereits bei einer geringen Neigung der Oberfläche ins Rollen kommen. Für ihre Experimente stellten die ETH-Forscher superhydrophobe Folien selbst her. Sie beschichteten elastische Federstahl-Bleche beziehungsweise Polyethylen-Folien mit Nanopartikeln und mit einer wasserabweisenden chemischen Verbindung. Die Nanopartikel rauen die Oberfläche auf, was die Kontaktfläche von Oberfläche und Wassertropfen verkleinert. Vergleichbar ist dies mit einer Person auf einem Fakirbett, welche nur auf einer geringen Fläche aufliegt. Auf einer «Fakirbett-Oberfläche» bleiben Wassertropfen weniger stark haften.

Ausserdem testeten die Wissenschaftler den Flexibilitäts-Effekt auch bei Schmetterlingsflügeln (siehe Video unten). «In der Natur gibt es viele Oberflächen, deren Superhydrophobizität unter anderem auf Flexibilität beruht. Neben den Flügeln von Insekten ist dies auch bei jenen von Vögeln sowie bei einigen Pflanzenblättern der Fall», sagt ETH-Doktorand Thomas Vasileiou, Erstautor der in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlichten Studie.

Die Forschenden ermittelten nicht nur im Detail, wie Leichtigkeit und Elastizität eines Materials mit dessen Wasserfestigkeit zusammenhängen. Sie beschrieben auch allgemeine Regeln, dank denen der Flexibilitäts-Effekt bei der Entwicklung von extrem wasserabweisenden Materialen eingesetzt werden kann. Das könnte in Zukunft helfen, verschiedene Materialien noch wasserfester zu machen, zum Beispiel Stoffe für Zelte und wasserfeste Kleidung, deren Elastizität mit eingewobenen elastischen und steifen Fasen optimiert wird.