Benetzung von Oberflächen

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Category: Funktionsprinzip

Published: Wednesday, 11 September 2013 09:30

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Die stark verminderte Benetzbarkeit von Blättern stellt ein sehr auffälliges Phänomen dar, das schon seit langer Zeit bekannt ist. Die Theorie der Benetzung von Oberflächen wurde weitgehend zu Beginn des letzen Jahrhunderts erarbeitet, ist im Detail aber bis heute Gegenstand intensiver Forschung. Allgemein läßt sich folgendes festhalten: Die Benetzung eines Stoffes mit Wasser und Luft als umgebendem Medium hängt vom Verhältnis der Grenzflächenspannungen Wasser/Luft, Festkörper/Wasser und Festkörper/Luft ab (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Grad der Benetzung eines Festkörpers mit Wasser lässt sich mit Hilfe des Kontaktwinkels beschreiben: Dieser wird bestimmt durch die Verhältnisse der Grenzflächenspannungen der Phasen und kann über die Young-Gleichung errechnet werden.

Das Verhältnis der Spannungen bestimmt den Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf einer Oberfläche. Ein Kontaktwinkel von 0° bedeutet vollständige Benetzung, das heißt, ein Wassertropfen zerläuft zu einem monomolekularen Film. Ein Kontaktwinkel von 180° bedeutet vollkommene Unbenetzbarkeit, der Tropfen berührt die Oberfläche in nur einem Punkt. Stoffe mit einer hohen Grenzflächenspannung werden besser benetzt als solche mit niedriger Grenzflächenspannung, zum Beispiel Teflon.

Das Verhalten von Wasser auf einer Oberfläche hängt in starkem Maß von der Rauigkeit der Oberfläche ab. Ist eine glatte Oberfläche relativ gut benetzbar, dann wird die Benetzbarkeit durch Aufrauung noch weiter verbessert. Ist eine glatte Oberfläche hydrophob und damit schlecht benetzbar, dann führt eine Aufrauung zu Superhydrophobie, also extremer Wasserabstoßung. Im letzteren Fall wird die Luft zwischen den Mikrostrukturen und dem Wassertropfen eingeschlossen.

Bringt man einen einzelnen Tropfen auf ein intaktes bewachstes Blatt auf, dann kugelt er sich ab und verhält sich so wie auf einer heißen Herdplatte (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein Flüssigkeitstropfen auf einer superhydrophoben Oberfläche: Der Tropfen berührt das Blatt nur an wenigen Punkten und zieht sich auf Grund der Oberflächenspannung zu einer Kugel zusammen. Bei geringsten Neigungswinkeln läuft er rückstandsfrei ab.

Durch die Rauigkeit der Oberfläche wird die Kontaktfläche zwischen Blatt und Wassertropfen extrem minimiert, was ein scheinbar reibungsloses Abrollen der Tropfen ermöglicht.