Onderzoekers uit Finland en China hebben een zeer waterafstotende coating ontworpen van nanostructuren die tegen een stootje kan. Druppels die op deze coating terechtkomen rollen er vanzelf vanaf. Het nieuwe materiaal belooft ramen die droog blijven en zonnepanelen die zichzelf reinigen. Handig, dan hoef je die zelf niet meer schoon te maken, dat doet een simpel regenbuitje voor je. 

Druppels blijven bijna perfecte rond als ze neerkomen op een dergelijk zeer waterafstotend oppervlak, een eigenschap die de onderzoekers 'super-hydrofoob' noemen. De waterafstotende coating is geïnspireerd op de natuur. Veel waterplanten hebben bladeren die super-hydrofoob zijn, zoals de lotus. Wetenschappers proberen dit al een tijdje zo goed mogelijk na te maken (lees: 'Waterafstotend materiaal herstelt vanzelf van kras' en 'Glibbberig materiaal van vleesetende plant nagebootst').  

 

Smeerlaag

Door de ruwheid van het oppervlak te manipuleren, minimaliseren de onderzoekers het contactoppervlak tussen de druppel en het oppervlak. Dit hebben ze gedaan door nanostructuren van pilaartjes en hobbeltjes te gebruiken. Tussen deze kleine structuren zit lucht gevangen, de crux voor de bijzondere super-waterafstotende eigenschap. Deze lucht werkt als een soort smeerlaag tussen de waterdruppel en het oppervlak, waardoor de druppel er gemakkelijk afglijdt.

Een dergelijke nanostructuur is echter fragiel. Alleen al een lichte aanraking van een vinger maakt ze kapot en de super-hydrofobe eigenschap gaat verloren. Een reden waarom deze techniek nog niet breed wordt ingezet. Onderzoekers van de Aalto University (Finland) en de University of Electronic Science and Technology of China werkten samen aan een oplossing hiervoor en publiceerden deze afgelopen week in het vooraanstaand wetenschappelijke tijdschrift Nature. 
 

Waterdruppels op een lotusblad. De bolle vorm van de druppels laat zien dat het oppervlak van het blad nauwelijks contact toestaat met het water. Het lotusblad is hydrofoob, waterafstotend. Foto Aathavan jaffna / CC BY-SA 3.0.


Harnas

Om de nanostructuren te beschermen hebben de onderzoekers een frame van microstructuren ontworpen dat als een soort harnas werkt. Microscopische puntjes, gevormd als omgekeerde piramides met vierkante, driehoekige of zeshoekige basis, beschermen de nanostructuren (zie openingsfoto). De super waterafstotende coating is nu niet langer te beschadigen als je hem per ongeluk aanraakt met je vinger. 

De nieuwe coating kan worden gemaakt van verschillende materialen, zoals keramiek, glas en metaal. Daarmee is het een generiek concept dat breed toepasbaar is. De onderzoekers richten zich eerst op het maken van robuust super-waterafstotend glas voor zonnepanelen. 

 

Een beeld gemaakt met confocaal microscopie van de harnas microstructuur (blauw), de waterdruppel (rood) en de gevangen lucht (zwart). Het laat zien dat een druppel die op de coating terecht komt voornamelijk in contact is met de lucht, niet het oppervlak. Nature 2020  


Schuurpapier

De onderzoekers bestudeerden het zelfreinigend vermogen van de coating in het laboratorium. Ze plaatsten een gecoat oppervlak bedekt met stof in een vochtige omgeving onder een hoek van 45 graden. Na 25 minuten was het oppervlak volledig gereinigd doordat gecondenseerde druppels op het oppervlak het stof hadden meegenomen bij het naar beneden glijden.

Ze herhaalden de test voor een zonnepaneel, waarbij ze de glasplaat die de zonnecel afdekt, met de coating hadden behandeld. Dankzij het zelfreinigend vermogen was de efficiëntie van de zonnecel constant ondanks het stof.

Ook de robuustheid van de coating is onderzocht. Hiervoor wreven de onderzoekers herhaaldelijk met een stuk propyleen over het oppervlak. Dit kon tot 1000 keer voordat het oppervlak werd aangetast. Dat is tien keer langer dan eerdere super-hydrofobe coatings. De coating blijkt zelfs bestand te zijn tegen een krastest met schuurpapier of een scherp stalen mes. 

 

Barre weersomstandigheden

Om te kijken of de coating geschikt is om buiten te gebruiken hebben de onderzoekers de coating verder getest. Zo blijkt de coating bestand tegen hoge temperaturen (100 graden Celcius gedurende 16 dagen) en kan het tegen een harde waterstraal. Dus ook onder barre weersomstandigheden als hitte en harde regen werkt de coating nog steeds.

 

Foto's: Nature