Dies ist einer der Höhepunkte einer Reihe von Nachrichten über Technologie und Innovation, die mit großzügiger Unterstützung der Lemelson Foundation ermöglicht wurden.
Stellen Sie sich eine Oberfläche vor, die Sie nie reinigen mussten – denn sie wird nie schmutzig. Es bleibt makellos und widersteht Schmutz und Öl. Neue Forschungen zeigen, dass das Geheimnis eines so lang anhaltenden, schrubbfreien Glanzes mikroskopische Pfannkuchen sein könnten.
Einige selbstreinigende Oberflächen sind bereits vorhanden. Die Geschäfte verkaufen diese selbstreinigende Kleidung, Küchenutensilien und Fenster, um nur einige zu nennen, noch nicht. Aber die Wissenschaftler arbeiten an ihnen. Aus der Nähe sieht man, dass mikroskopisch kleine Säulen oder Säulen die Oberfläche vieler dieser Säulen bedecken. Ein Material, das diese winzigen Strukturen beschichtet, weist Öl und Schmutz ab. Die schmalen Säulenplatten geben dem Schmutz auch weniger Platz zum Kleben. Das hilft, dass Gunk abrutscht.
Aber Mikrosäulen sind bei weitem nicht ideal. Die hohen, dünnen Säulen biegen, schnappen und kippen leicht. Mit der Zeit können sich Schmutz und Öl um beschädigte Säulen ansammeln. Diese Anhäufung ist schwer zu entfernen, ohne eine Form der Reinigung. Und wenn die Oberfläche aus Glas ist, verursachen diese gebrochenen Säulen noch mehr Probleme. Verbogene und zerbrochene Teile – und klebende Schmiere – stören das durch das Glas strömende Licht. Das kann die Bilder, die durch sie betrachtet werden, verzerren oder verzerren.
Um diese Probleme anzugehen, haben Wissenschaftler in Norwegen einen neuen Ansatz gewählt. Anstelle von Säulen verwendeten sie kürzere, plattenförmige Pfannkuchenformen. Und bisher scheinen diese Pfannkuchen den Zweck zu erfüllen. Ein im Meer getestetes Fenster bleibt seit mehr als einem Jahr sauber und klar.
“Im Gegensatz zu Säulen bewegt sich Wasser frei zwischen unseren Pfannkuchenmikrostrukturen”, sagt Bodil Holst. Sie ist Physikerin an der Universität Bergen in Norwegen. Bei höheren Säulen werden mehr Wassermoleküle verlangsamt, wenn sie versuchen, die Strukturen zu passieren. Das Wasser fließt leichter um die kürzeren Strukturen herum. Unter Wasser verhindert dieser Flüssigkeitsstrom, dass Schmutz anhaftet. Das sorgt für die Selbstreinigung, d.h. die Oberfläche benötigt keine schmutzabweisende Beschichtung.
Ihre kräftige Form macht die Pfannkuchen auch langlebiger. Stellen Sie sich zwei Kreidestücke vor: eines lang und dünn, das andere kurz und flach, sagt Holst. “Es würde viel mehr Mühe erfordern, ein kurzes Stück Kreide zu brechen”, betont sie. “Genauso wie es viel mehr Aufwand erfordert, mikroskopische Pfannkuchen im Vergleich zu Säulen zu brechen.”
In den Tests ihres Teams sind diese Pfannkuchen fest an ihrem Platz und in ihrer Form geblieben. Holsts Gruppe beschrieb ihre Ergebnisse am 12. Dezember 2018 in Nano Letters.
Ein klares Problem
Das Pfannkuchenprojekt entstand aus einem realen Problem. “Das Unternehmen, mit dem wir zusammenarbeiten, verwendet lichterkennende Sensoren, um die Wasserqualität zu testen”, erklärt Naureen Akhtar. Sie ist Physikerin und arbeitet mit Holst an der Universität Bergen zusammen. “Das Problem ist, dass der Sensor hinter einem Fenster sitzt, das viel zu schnell schmutzig wird. Manchmal ist es schon nach einer Woche verschmutzt.”
Die Reinigung des Fensters ist oft mit hohem Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden. Deshalb wollte das Unternehmen ein langlebiges, selbstreinigendes Fenster. Dann kam die Innovation des Teams von Akhtar und Holst: das Pancaking der Oberfläche.
Nachdem sie ihr neues Glas entwickelt hatten, waren sie bereit, es im Meer zu testen. Dazu ersetzten sie das alte, leicht verschmutzte Glas vor den Sensoren durch das mit Pfannkuchen besetzte Glas.
Die Forscher – und das Unternehmen – waren mit den Ergebnissen zufrieden. In einigen Fällen haben sie die Zeit zwischen den Fensterreinigungen von wöchentlich auf jährlich verlängert, sagt Akhtar.
Ihr Glas hat sich auch im Labor gut bewährt. In einem Test wurde eine saubere Glasscheibe 46 Stunden lang in eine ölige Mischung getaucht. Es endete absolut bedeckt mit Gunk. Die Forscher wiederholten den Test an einem Glasfenster, dessen Oberfläche mit Mikropfannkuchen beschichtet war. Dieser blieb völlig sauber.
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