Manchmal breitet sich Wasser gleichmäßig aus,wenn es auf eine Oberfläche trifft; manchmal perlen es in winzige Tröpfchen. Während die Menschen diese Unterschiede seit der Antike bemerkt haben, kann ein besseres Verständnis dieser Eigenschaften und neue Möglichkeiten, sie zu kontrollieren, wichtige neue Anwendungen mit sich bringen.
Materialien mit einer besonderen Affinität für Wasser-die es verteilt sich über, Maximierung Kontakt-sind als hydrophil bekannt., Diejenigen, die auf natürliche Weise Wasser abstoßen und Tröpfchen bilden, werden als hydrophob bezeichnet. Beide Materialklassen können unter anderem einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Kraftwerken, Elektronik, Flugzeugflügeln und Entsalzungsanlagen haben, sagt Kripa Varanasi, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT. Verbesserungen an hydrophilen und hydrophoben Oberflächen könnten Ketchupflaschen liefern, in denen das Gewürz gerade heraus gleitet, Gläser, die nie beschlagen, oder Kraftwerke, die mehr Strom aus einer bestimmten Menge Kraftstoff wringen.,

Foto mit freundlicher Genehmigung von Rong Xiao und Nenad Miljkovic

Hydrophile und hydrophobe Materialien werden durch die Geometrie von Wasser auf einer ebenen Fläche definiert — insbesondere durch den Winkel zwischen der Kante eines Tröpfchens und der darunter liegenden Oberfläche. Dies wird als Kontaktwinkel bezeichnet.
Wenn sich das Tröpfchen ausbreitet und einen großen Bereich der Oberfläche benetzt, beträgt der Kontaktwinkel weniger als 90 Grad und diese Oberfläche gilt als hydrophil oder wasserliebend (aus den griechischen Wörtern für Wasser, Hydro und Liebe, Philos)., Wenn das Tröpfchen jedoch eine Kugel bildet, die die Oberfläche kaum berührt — wie Wassertropfen auf einer heißen Bratpfanne—, beträgt der Kontaktwinkel mehr als 90 Grad und die Oberfläche ist hydrophob oder wasserfeindlich.
Aber die Terminologie hört hier nicht auf: Die meisten aktuellen Forschungen zu hydrophoben und hydrophilen Materialien konzentrieren sich auf Extremfälle-nämlich superhydrophobe und superhydrophile Materialien. Obwohl die Definitionen dieser Begriffe weniger präzise sind, werden Oberflächen, bei denen enge Tröpfchen einen Kontaktwinkel von mehr als 160 Grad bilden, als superhydrophob angesehen., Wenn die Tröpfchen fast flach ausgebreitet sind, mit einem Kontaktwinkel von weniger als etwa 20 Grad, ist die Oberfläche superhydrophil.
„In vielen Fällen ist es das extreme Verhalten, das in der Technik nützlich ist“, sagt Evelyn Wang, Associate Professor für Maschinenbau am MIT, die in superhydrophoben Materialien spezialisiert. Zum Beispiel funktionieren die Oberflächen von Kondensatoren in Entsalzungsanlagen oder Kraftwerken am besten, wenn sie superhydrophob sind, so dass Tröpfchen ständig abrutschen und durch neue ersetzt werden können., Umgekehrt ist es für Anwendungen, bei denen Wasser über eine Oberfläche fließt, um eine Überhitzung zu verhindern, wünschenswert, ein superhydrophiles Material zu haben, um einen maximalen Kontakt zwischen Wasser und Oberfläche sicherzustellen.

Warum passieren diese Phänomene? Es ist im Wesentlichen eine Frage der Oberflächenchemie, die durch die Eigenschaften der verwendeten Materialien bestimmt wird. Die Form einer Oberfläche kann auch die Effekte verstärken: Wenn ein Material beispielsweise hydrophob ist, können Nanopattern auf seiner Oberfläche die Kontaktfläche mit einem Tröpfchen vergrößern, den Effekt verstärken und die Oberfläche superhydrophob machen., In ähnlicher Weise kann die Nanopatterisierung einer hydrophilen Oberfläche sie superhydrophil machen. (Es gibt jedoch Ausnahmen, bei denen spezielle Arten der Musterung die gewöhnlichen Eigenschaften eines Materials tatsächlich umkehren können.)
Es wird komplizierter, wenn sich die Dinge bewegen — wie es oft in realen Situationen der Fall ist. Wenn beispielsweise eine flache Oberfläche geneigt ist, können alle darauf befindlichen Tröpfchen zu gleiten beginnen und ihre Formen verzerren., Über die Messung statischer Kontaktwinkel hinaus erfordert ein vollständiges Verständnis der Eigenschaften einer Oberfläche auch eine Analyse, wie sich die Kontaktwinkel an ihren vorrückenden (vorderen) und zurückgehenden (hinteren) Kanten unterscheiden, wenn die Oberfläche geneigt ist.
Weil die natürliche Welt voll von hydrophoben und hydrophilen Oberflächen ist, sind die Grundlagen des Phänomens von Wissenschaftlern seit mindestens zwei Jahrhunderten bekannt. Zum Beispiel ist das Lotusblatt ein bekanntes Beispiel für ein hydrophobes Material, das die wasserbewohnende Pflanze vor Nässe schützt., Einige Arten, wie der Stenocara-Käfer der afrikanischen Namib-Wüste, kombinieren beide Merkmale: Der Rücken und die Flügel des Insekts haben hydrophile Beulen, die die Kondensation durch Nebel fördern; Diese sind von hydrophoben Tröpfchen umgeben, die die resultierenden Tröpfchen sammeln und sie zum Mund des Käfers leiten — damit er an einem der trockensten Orte der Erde überleben kann.
Ein Bereich des modernen Interesses an hydrophoben und hydrophilen Oberflächen hat mit Energieeffizienz zu tun., Superhydrophobe Oberflächen, die von Forschern am MIT und anderswo entwickelt wurden, könnten zu einer besseren Wärmeübertragung in Kraftwerkskondensatoren führen und deren Gesamteffizienz erhöhen. Solche Oberflächen könnten auch die Effizienz von Entsalzungsanlagen erhöhen.,
Neue Technologien haben auch auf dem Gebiet beigetragen: Die Fähigkeit, nanoplatterned Oberflächen zu schaffen, mit Unebenheiten oder Grate nur ein paar Milliardstel Meter über, hat eine neue Generation von Wasser greifen und Wasser-verschütten Materialien ermöglicht; neue hochauflösende Bildgebung von Oberflächen in Bewegung hat ein besseres Verständnis der damit verbundenen Prozesse ermöglicht.
Forschung durch neue Technologien ermöglicht es, zu verstehen, und zu manipulieren, diese Verhaltensweisen auf einer Ebene der Details undenkbar vor ein oder zwei Jahrzehnten., Aber manchmal zeigen die neuen Methoden, wie gut Wissenschaftler die Dinge vor langer Zeit herausgefunden haben: „Es ist erstaunlich“, sagt Varanasi, “ dass einige der Dinge, die wir jetzt validieren können, vor einem Jahrhundert vorhergesagt wurden.”