Schmetterlingsflügel als Vorbild für wasserabweisendes Silizium

Forscher haben die Flügel eines Schmetterlings als Vorbild genutzt, um Silizium eine dauerhaft wasserabweisende Oberfläche zu verleihen. Wie beim natürlichen Vorbildwirken dabei winzige Gruben, Poren und Kegel als Luftfallen. Diese Luft wirkt wie ein Puffer zwischen Material und Wasser und verhindert, dass die Oberfläche benetzt wird. Normalerweise seien nach diesem Prinzip hergestellte Materialien sehr anfällig gegenüber äußeren Störungen und behielten ihre Schutzfunktion daher nicht lange. Jetzt habe man erstmals eine solche wasserabweisende Oberfläche erstellt, die länger als ein Jahr stabil blieb, berichtet das internationale Forscherteam im Fachmagazin „Applied Physics Letters“.

Die leuchtendblauen Flügel des australischen Odysseusfalter(Papilioulysses) sind nicht nur für ihr Schimmern bekannt, sie wirken auch extrem wasserabweisend. Tropfen perlen von ihrer Oberfläche ab, ohne Nässe oder andere Spuren zu hinterlassen. Ursache dafür ist ein komplexer Aufbau der Flügelschüppchen, bei dem winzige Strukturen in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind.

Um diese komplexe Struktur nachzuahmen, gingen die Wissenschaftler einen ungewöhnlichen Weg: Sie nutzen Fehler, die beim Ätzen von Silizium-Schaltkreisen auftreten, um die feinen Nanoformen zu erzeugen.

„Beim Ätzprozess bilden sich häufig Aushöhlungen und Überhänge entlang der feinen Rillen, die dazu führen können, dass diese einstürzen“, erklären Sang Yunvom Royal Institute of Technology im schwedischen Kista und seine Kollegen. Außerdem entstünden beim Ätzen oft unerwünschte Wellen im Material. Genau diese Fehler habe man nun bewusst herbeigeführt, um die Kegel, Poren und Gruben auf einemSilziumrohling zu erzeugen.

Die auf diese Weise hergestellte Silzium-Oberfläche sei genauso wasserabweisend wie ihr natürliches Vorbild, der Schmetterlingsflügel, sagen die Forscher. Sie sei mit herkömmlichen Verfahren leicht zu produzieren und könnte daher ohne großen Aufwand bei elektronischen Bauteilen ergänzt werden. Die Oberfläche schütze chemische Sensoren, Computerchips oder andere Elektronik-Komponenten besser als bisher vor schädigenden Umwelteinflüssen und mache sie daher langlebiger.

Waffelwaben mit krönenden Säulenreihen

Die mit Hilfe des Ätzverfahrens erzeugte Silizium-Oberfläche gleicht einer Waffel mit Reihen von winzigen Säulen entlang ihrer vorstehenden Wabenkanten. Die Innenseite der Säulen und Waben sind von rund 25 Nanometer kleinen Poren und Buckeln übersät.

„Die Nanosäulen können als offene Luftfalle betrachtet werden, während die Nanoporen eine geschlossene Falle darstellen“, erklären die Forscher. Luft zwischen den Säulen könne leichter eindringen, aber auch wieder entweichen. Die weiter innen an den Seitenwänden der Waben gefangene Luft sei dagegen fester gebunden und verhindere, dass sich die winzigen Gruben mit Wasser füllten.

Tropfen prallen folgenlos ab

Um zu testen, wie gut die wasserabweisende Wirkung dieser Silziumstruktur war, ließen die Forscher unter anderem Wassertropfen aus unterschiedlichen Höhen auf das Material fallen. „Wassertropfen aus zehn Zentimetern Höhe prallten einfach elastisch ab“, berichten Yun und seine Kollegen. Auch eine Benetzung mit feinem Sprühnebel habe das Wasser abperlen lassen.

Zusätzlich zu der wasserabweisenden Eigenschaft habe die Nanostruktur dem Silzium auch besondere optische Merkmale verliehen, sagen die Forscher. Die Oberfläche habe Licht knapp oberhalb der sichtbaren Wellenlängen fast vollständig geschluckt.

(American Institute of Physics, 30.12.2011 – NPO)