News: Wasser abweisend auf Knopfdruck
Wassertröpfchen fallen auf eine schräg stehende Platte und benetzen diese. Doch im nächsten Moment zieht sich das Nass wieder zur Kugelform zusammen und kullert an der Platte herunter - Zauberei? Mitnichten!
© (Ausschnitt)
Die Teflon-Pfanne in der Küche ist es in jedem Fall, und gute Regenkleidung sollte es sein: Wasser abweisend. Tropfen perlen hieran ab, ohne irgendwelche Spuren zu hinterlassen. Hingegen ist Kleidung, die zu hundert Prozent aus Baumwolle besteht, äußerst hydrophil – also Wasser liebend. Leicht benetzt die Flüssigkeit die Fasern, und schnell zieht sie in den Stoff ein.
Bestimmend für dieses Verhalten ist die molekulare Struktur der Materialoberfläche. So verstehen sich polare Moleküle besonders gut mit Wasser. Denn auch dessen Moleküle sind polar, das heißt, positiver und negativer Ladungsschwerpunkt fallen aufgrund der Molekülsymmetrie nicht zusammen.
So wie sich eine Kompassnadel im Magnetfeld ausrichtet, so orientieren sich die polaren Moleküle an einem elektrischen Feld – auch an dem anderer Moleküle. Guter Zusammenhalt ist die Folge. Öle und Fette weisen solche Ladungsschwerpunkte hingegen nicht auf und lassen sich deshalb von polaren Molekülen nicht beeindrucken.
Normalerweise bleibt ein Molekül seiner Vorliebe in Sachen Polarität treu und wird nicht auf einmal seine Zu- oder Abneigung zu Wasser entdecken. Mit ein paar Tricks geht es aber doch, und so schufen nun Chemiker des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge sowie der kalifornischen Universitäten von Berkeley und Santa Barbara ein Material, das auf Knopfdruck wahlweise Wasser abweisend oder Wasser anziehend ist. Wie ist das möglich?
Die Forscher um Jörg Lahann setzten dazu lang gezogene Moleküle auf die Oberfläche eines Goldsubstrats, ganz so wie die Halme auf dem Kornfeld. Das Besondere an diesen länglichen Molekülsträngen war nun, dass sie hydrophob und hydrophil zugleich waren. Denn während ihr Mittelstück Wasser abweisend war, trug ihre Spitze eine negative Ladung und wirkte somit anziehend für polare Moleküle.
Stehen nun alle Moleküle stramm in Reih und Glied, so wirkt die Oberfläche hydrophil, denn von oben betrachtet sind nur die negativen Ladungen zu spüren. Legen die Forscher über der Schicht jedoch eine entsprechend gepolte elektrische Spannung an und setzen die Goldplatte so auf ein positives Potenzial, so krümmen sich die Moleküle aufgrund der elektrostatischen Anziehung wie Kornähren im Wind und neigen ihre Köpfe zu Boden. Auf diese Weise entblößen sie ihr hydrophobes Mittelstück, an dem nun polare Moleküle keinen Halt mehr finden.
Dass dieses Konzept funktioniert, konnten Lahann und seine Kollegen anhand von Messungen des Kontaktwinkels eines Wassertröpfchens auf der beschichteten Oberfläche messen. Und auch auf mikroskopischer Ebene konnten die Forscher ihre maßgeschneiderte Oberfläche untersuchen. "Das war jedoch eine schwierige Aufgabe, da die Moleküllage nur knapp einen Nanometer dick war", erinnert sich Lahann. Hier kam eine spektroskopische Methode wie gerufen, die Forscher aus Berkeley entwickelt hatten: Mit der so genannten SFG-Spektroskopie ließ sich die Biegung der Kohlenwasserstoffketten, aus denen das Mittelstück der Ähren-Moleküle bestand, zweifelsfrei nachweisen.
Aber wie ließen sich die ährenartigen Moleküle überhaupt so auf Lücke pflanzen, dass jedes Molekül genug Platz hatte, sich zu bücken? Zwar gibt es diverse Techniken, die im Wesentlichen durch molekulare Selbstorganisation solche Moleküllagen auf eine Unterlage aufbringen können, doch meist stehen die Moleküle dabei viel zu dicht nebeneinander.
Dieses Problem lösten die Forscher, indem sie den Molekülen vor der "Aussaat" einen besonders voluminösen Kopf spendierten – tatsächlich erinnern sie in dieser Ausführung eher an Pilze als an Kornähren. Die klobigen Molekülenden wirkten jedenfalls als Abstandshalter und sorgten dafür, dass sich die Moleküle genau in der richtigen Entfernung voneinander auf dem Substrat festsetzten. Die richtigen Maße stammten dabei aus vorangegangenen mathematischen Modellen.
Anschließend mussten die molekularen Pilzhüte nur noch von der Spitze entfernt werden, und fertig war die funktionale Oberfläche. Tatsächlich, so meinen die Forscher, lässt sich ein Substrat auf die Weise auch mit anderen schaltbaren Eigenschaften versehen: wie beispielsweise ganz allgemein der Adhäsion, Reibung oder biologischen Kompatibilität. Dementsprechend vielfältig ist das Feld der potenziellen Anwendungsgebiete: Angefangen von der Proteomik über die Nanotechnologie und die Mikrofluidik bis hin zu Möglichkeiten in der Optoelektronik oder gar der Drucktechnik präsentieren die Forscher mancherlei Idee.
Bestimmend für dieses Verhalten ist die molekulare Struktur der Materialoberfläche. So verstehen sich polare Moleküle besonders gut mit Wasser. Denn auch dessen Moleküle sind polar, das heißt, positiver und negativer Ladungsschwerpunkt fallen aufgrund der Molekülsymmetrie nicht zusammen.
So wie sich eine Kompassnadel im Magnetfeld ausrichtet, so orientieren sich die polaren Moleküle an einem elektrischen Feld – auch an dem anderer Moleküle. Guter Zusammenhalt ist die Folge. Öle und Fette weisen solche Ladungsschwerpunkte hingegen nicht auf und lassen sich deshalb von polaren Molekülen nicht beeindrucken.
Normalerweise bleibt ein Molekül seiner Vorliebe in Sachen Polarität treu und wird nicht auf einmal seine Zu- oder Abneigung zu Wasser entdecken. Mit ein paar Tricks geht es aber doch, und so schufen nun Chemiker des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge sowie der kalifornischen Universitäten von Berkeley und Santa Barbara ein Material, das auf Knopfdruck wahlweise Wasser abweisend oder Wasser anziehend ist. Wie ist das möglich?
Die Forscher um Jörg Lahann setzten dazu lang gezogene Moleküle auf die Oberfläche eines Goldsubstrats, ganz so wie die Halme auf dem Kornfeld. Das Besondere an diesen länglichen Molekülsträngen war nun, dass sie hydrophob und hydrophil zugleich waren. Denn während ihr Mittelstück Wasser abweisend war, trug ihre Spitze eine negative Ladung und wirkte somit anziehend für polare Moleküle.
Stehen nun alle Moleküle stramm in Reih und Glied, so wirkt die Oberfläche hydrophil, denn von oben betrachtet sind nur die negativen Ladungen zu spüren. Legen die Forscher über der Schicht jedoch eine entsprechend gepolte elektrische Spannung an und setzen die Goldplatte so auf ein positives Potenzial, so krümmen sich die Moleküle aufgrund der elektrostatischen Anziehung wie Kornähren im Wind und neigen ihre Köpfe zu Boden. Auf diese Weise entblößen sie ihr hydrophobes Mittelstück, an dem nun polare Moleküle keinen Halt mehr finden.
Dass dieses Konzept funktioniert, konnten Lahann und seine Kollegen anhand von Messungen des Kontaktwinkels eines Wassertröpfchens auf der beschichteten Oberfläche messen. Und auch auf mikroskopischer Ebene konnten die Forscher ihre maßgeschneiderte Oberfläche untersuchen. "Das war jedoch eine schwierige Aufgabe, da die Moleküllage nur knapp einen Nanometer dick war", erinnert sich Lahann. Hier kam eine spektroskopische Methode wie gerufen, die Forscher aus Berkeley entwickelt hatten: Mit der so genannten SFG-Spektroskopie ließ sich die Biegung der Kohlenwasserstoffketten, aus denen das Mittelstück der Ähren-Moleküle bestand, zweifelsfrei nachweisen.
Aber wie ließen sich die ährenartigen Moleküle überhaupt so auf Lücke pflanzen, dass jedes Molekül genug Platz hatte, sich zu bücken? Zwar gibt es diverse Techniken, die im Wesentlichen durch molekulare Selbstorganisation solche Moleküllagen auf eine Unterlage aufbringen können, doch meist stehen die Moleküle dabei viel zu dicht nebeneinander.
Dieses Problem lösten die Forscher, indem sie den Molekülen vor der "Aussaat" einen besonders voluminösen Kopf spendierten – tatsächlich erinnern sie in dieser Ausführung eher an Pilze als an Kornähren. Die klobigen Molekülenden wirkten jedenfalls als Abstandshalter und sorgten dafür, dass sich die Moleküle genau in der richtigen Entfernung voneinander auf dem Substrat festsetzten. Die richtigen Maße stammten dabei aus vorangegangenen mathematischen Modellen.
Anschließend mussten die molekularen Pilzhüte nur noch von der Spitze entfernt werden, und fertig war die funktionale Oberfläche. Tatsächlich, so meinen die Forscher, lässt sich ein Substrat auf die Weise auch mit anderen schaltbaren Eigenschaften versehen: wie beispielsweise ganz allgemein der Adhäsion, Reibung oder biologischen Kompatibilität. Dementsprechend vielfältig ist das Feld der potenziellen Anwendungsgebiete: Angefangen von der Proteomik über die Nanotechnologie und die Mikrofluidik bis hin zu Möglichkeiten in der Optoelektronik oder gar der Drucktechnik präsentieren die Forscher mancherlei Idee.
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