30/09/2019
Door Ad Spijkers
Een jonge onderzoeker aan de TU Dresden heeft een volledig water- en ijsbestendig oppervlak ontwikkeld. Hiervoor heeft hij een aluminium plaat met een laser zodanig gestructureerd dat waterdruppels en waterachtige vloeistoffen er niet langer aan plakken (superhydrofoob).
Twee jaar lang heeft Stephan Milles een oppervlaktestructuur onderzocht waarop geen druppels achterblijven en de ijsvorming sterk wordt vertraagd. Hij koos vanaf het begin voor aluminium omdat het een veel gebruikt industrieel materiaal is. "Als een vliegtuig door wolken vliegt, zal het helpen als de ijsvorming op vleugels, motoren en sensorelementen een paar seconden wordt vertraagd."
Water én ijs afstotend
Rotorbladen van windturbines, grote tanks voor vloeistoffen in de voedingsmiddelenindustrie of meetinstrumenten zijn vaak gemaakt van aluminium. Deze voorwerpen reageren echter gevoelig op ijs. De nieuwe ontwikkeling is een alternatief voor eerdere composieten of het coaten van oppervlakken en biedt nieuwe industriële kansen. Voor het structureren van materialen zijn nu geen extra chemicaliën of clean-room omstandigheden nodig.
Niet alle waterafstotende oppervlakken zijn tegelijkertijd ook ijsbestendig. De structuur van Milles is beide. Om dit effect te bereiken heeft de werktuigbouwkundige een complexe structuur met een specifiek lasergebaseerd proces toegepast. Hij werd geïnspireerd door de natuur. Het zelfreinigende lotuseffect, ook bekend van de vlindervleugel, is gebaseerd op een micro- en nanogestructureerd oppervlak. De grote uitdaging was om eerst een structuur te vinden die tien keer kleiner is dan een mensenhaar en deze vervolgens nog fijner te graveren.
Naar industriële schaal
Momenteel werkt de onderzoeker aan grootschalige en economische verwerking van aluminiumplaten. Om deze reden besloot hij vanaf het begin vooral voor de laserinterferentiemethode. "Alleen de laserinterferentiemethode kan verschillende oppervlakken in een zeer korte tijd filigraan bewerken. De afstand tussen de afzonderlijke structurele elementen is 7 µm. Een mensenhaar heeft een diameter van 50-80 µm."
Het proces is voor de industrie alleen interessant als een vierkante meter aluminium in enkele minuten met een laser kan worden gegraveerd. "Andere processen vergen enkele uren om het oppervlak van een vierkante meter te vormen, en toch zou het geen structuur met een micro- en nanometer-grootte hebben opgeleverd", aldus Milles. Het onderzoekswerk van de promovendus wordt gefinancierd door het Deutsche Forschungsgemeinschaft in het kader van het Reinhart Koselleck-project 'Productie van grootschalige, twee- en drietraps multischaalstructuren met multifunctionele oppervlakte-eigenschappen door lasermethoden.
De foto toont dat de druppel op een waterafstotend oppervlak rond blijft (links), terwijl de druppel op het onbehandelde oppervlak breed (rechts) uitloopt. Een oppervlak wordt als bijzonder waterafstotend (superhydrofoob) beschouwd als de hoek tussen oppervlak en druppel ten minste 150° is. Foto: Tobias Ritz.