Wechselspiel zwischen Haftreibung und Adhäsion

Wie Wassertropfen auf Oberflächen haften

30.06.2016 | KURT BODENMÜLLER / UZH
Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Universität Zürich und mit Beteiligung der Empa hat ein System entwickelt, mit dem sich zwischen Adhäsions- und Haftreibungsverhalten eines Wassertropfens auf einer festen Oberfläche elektrisch hin- und herschalten lässt. Die Spannungsänderung äussert sich makroskopisch im veränderten Kontaktwinkel zwischen Tropfen und Oberfläche. Der Effekt beruht auf der Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit im Nanometerbereich.
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Bienenwabenförmiges Nanomesh mit einem Wabenabstand von 3.2 nm: Bornitrid-Struktur aus Stickstoff (grün) und Bor (orange) auf metallischem Rhodium (grau; Bild: Marcella Iannuzzi, UZH, & Ari Seitsonen, ENS Paris)

Wie kommt es, dass sich ein Gecko kopfüber an einer Decke fortbewegen kann? Zwei Mechanismen sind dafür verantwortlich: Die Adhäsion durch Milliarden feinster Härchen an seinen Füssen lässt ihn an Decken und Wänden kleben. Sobald sich der Gecko bewegt, verlässt er sich auf die Haftreibung. Die Änderung von Adhäsion und Haftreibung auf der makroskopischen Ebene äussert sich auf der Nanoskala durch die Änderung der Kräfte, die zwischen Atomen und Molekülen wirken.

Wie ein Wassertropfen eine bienenwabenförmige Struktur berührt

Einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Thomas Greber vom Physik-Institut der Universität Zürich ist es gelungen, die Art und Weise, wie ein Flüssigkeitstropfen auf einer festen Oberfläche haftet, hin und her zu schalten. Dies geschieht durch die Veränderung der elektrischen Spannung, die an einen Wassertropfen angelegt wird. Die Oberfläche, auf der der Tropfen liegt, besteht aus einem Material genannt Nanomesh. Dabei handelt es sich um eine einzelne Bornitrid-Schicht auf metallischem Rhodium. Die Struktur hat die Form einer Bienenwabe mit einer Wabentiefe von 0,1 Nanometern und einem Wabenabstand von 3,2 Nanometern.

Makroskopisch äussert sich die Änderung der elektrischen Spannung in der Änderung des Kontaktwinkels zwischen Tropfen und Nanomesh-Oberfläche. Mit Kontakt- oder Benetzungswinkel bezeichnet man den Winkel, den ein Flüssigkeitstropfen zur Oberfläche eines Feststoffs bildet. Messen lässt sich dieser Winkel mit Hilfe von Fotografien im Gegenlicht.

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Flaches Nanomesh: eingelagerter Wasserstoff (weiss) zwischen der Bornitrid-Struktur aus Stickstoff (grün) und Bor (orange) und der Rhodiumoberfläche (grau; Bild: Marcella Iannuzzi, UZH & Ari Seitsonen, ENS Paris). Der Abstand zwischen Bor- und Stickstoffatomen beträgt 0.14 nm.

Veränderung der Oberflächenstruktur ändert den Kontaktwinkel des Tropfens
Auf der Nanoskala geschieht durch die Spannungsänderung Folgendes: Die Stickstoffbindungen der Bornitrid-Schicht zum Rhodium werden durch Wasserstoff-Rhodium-Bindungen ersetzt, wodurch sich die Nanomesh-Struktur auflöst. Wie stark der Stickstoff des Bornitrids an die Rhodium-Oberfläche bindet, ist abhängig von dessen Abstand und Richtung zum nächsten Rhodium-Atom. Und dies bestimmt die Wabentiefe der Bornitrid-Schicht. Ändert sich die Spannung, lagert sich Wasserstoff zwischen Bornitrid-Schicht und Rhodium-Oberfläche, was dazu führt, dass die wabenförmige Bornitrid-Struktur flach wird. Mittels Tunnelmikroskopie lässt sich dieser nanoskopische Effekt – die Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit des Nanomesh – in der Flüssigkeit nachweisen.

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Elektrochemie in einem Tropfen: Überlagerung von sieben dynamischen Kontaktwinkelmessungen zwischen Wassertropfen und Oberfläche. Der Durchmesser der vertikalen Kapillare beträgt 0.85 mm. (Bild: UZH)

«Das Zusammenspiel zwischen der Makro- und der Nano-Welt ist die eigentliche Herausforderung in der Nanowissenschaft», betont Greber. Denn dabei geht es um die Überbrückung von sechs Längengrössenordnungen – von Millimeter (10-3 m) zu Nanometer (10-9 m) – also einem Faktor von einer Million. «Unser Modellsystem des elektrisch schaltbaren Nanomesh und dem beobachtbaren Kontaktwinkel eines Tropfens erlaubt es, das fundamentale Phänomen der Reibung von Flüssigkeiten an Oberflächen genauer zu verstehen. Dies dürfte helfen, um Probleme wie sie zum Beispiel bei der Schmierung auftreten, besser lösen zu können.» Die Forschungsarbeit erscheint in der neuen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift «Nature» – und zwar auf der Titelseite.

Interessant ist das neue System einerseits für die Biologie. Die Anwendung dieses Effekts sollte es ermöglichen, Adhäsion und Wanderung von Zellen zu kontrollieren. Dadurch lassen sich Aspekte wie Zellmigration oder die Bildung komplexer mehrzelliger Strukturen mit neuen wissenschaftlichen Ansätzen erforschen. Denkbar sind andererseits technologische Anwendungen wie Kapillarpumpen, bei denen die Kapillarhöhe durch die elektrische Spannung kontrolliert werden kann oder Mikrokapillaren, bei denen sich der Strömungswiderstand steuern lässt.

Die Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen des Sinergia-Programms des Schweizerischen Nationalfonds (SNF). Der SNF fördert mit diesem Instrument die Zusammenarbeit zwischen mehreren Forschungsgruppen, die interdisziplinär und mit Aussicht auf bahnbrechende Erkenntnisse forschen. Beteiligt waren neben der Universität Zürich die Katholieke Universiteit Leuven, die Technische Universität Wien und die Empa.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Thomas Greber
Institute of Physics, University of Zurich
Tel. +41 44 635 57 44


Dr. Oliver Gröning
Empa, nanotech@surfaces
Tel. +41 58 765 46 69

 

Redaktion / Medienkontakt

Dr. Michael Hagmann
Empa, Communication
Tel. +41 58 765 45 92


Literatur

SFL Mertens, A Hemmi, S Muff, O Gröning, S De Feyter, J Osterwalder, T Greber, Switching stiction and adhesion of a liquid on a solid, Nature, DOI: 10.1038/nature18275