MIT Wissenschaftler entwickeln neue wasserabweisende Werkstoffe!

Hydrophobe Keramik| Proben von Oxiden Seltener Erden

Schon seit längerer Zeit bemühen sich weltweit Forscher, die Entwicklung von wasserabweisenden Materialien voranzutreiben. Nun könnte den Wissenschaftlern des MIT ein weiterer Durchbruch bei der Entwicklung dieser Materialen gelungen sein. Es ist ihnen gelungen aus der Gruppe der Metalle der Seltenen Erden bzw. deren Oxiden keramische Formen herzustellen, die hydrophobe Eigenschaften besitzen und gleichzeitig extrem abriebfest sind.

Diese Materialien könnten sich als extrem bedeutungsvoll für die Energiewirtschaft, das Bauwesen, die Medizin und die Fahrzeugindustrie erweisen. Wasser in flüssiger und kondensierter Form wird in vielen industriellen Prozessen eingesetzt zum Beispiel in Kraftwerken oder Meerwasserentsalzungsanlagen. Hydrophobe Materialien können die Effizienz von technischen Anlagen deutlich erhöhen, da zum Beispiel Reibungseffekte minimiert werden bzw. die Prozesselemente nicht mit Salzwasser in Berührung kommen. Momentan werden viele Bauteile, bei denen hydrophobe Eigenschaften benötigt werden, mit Polymeren beschichtet, allerdings haben diese den Nachteil, dass sie keine hohe Abriebfestigkeit haben und nur in einem geringen Temperaturbereich einsetzbar sind.

Die Wissenschaftler des MIT hoffen nun mithilfe von hydrophober Keramik, die Eigenschaften vieler Bauteile deutlich zu verbessern. Die entwickelten keramischen Werkstoffe zeichnen sich nicht nur durch ihre stark wasserabweisenden Eigenschaften aus, sondern sie widerstehen auch hohen Temperaturen und starken Beanspruchungen. Entwickelt wurden diese neuen Materialien von Maschinenbau Postdoc Gisele Azimi und Associate Professor Kripa Varanasi, zusammen mit zwei Doktoranden und anderen Postdocs. Ihre Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlichten die Wissenschaftler diese Woche in der Zeitschrift „Nature Materials“.

Gemäß ihrer Veröffentlichung untersuchten die Wissenschaftler 13 von 14 Elementen (Ordnungszahl 58-71 ausschließlich 61) der Lanthanreihe des Periodensystems bzw. deren Oxide, welche auch als Selten-Erden bekannt sind. Eines der Elemente ist radioaktiv, deshalb verzichteten sie auf deren Untersuchung. Da alle Elemente der Lanthanreihe ähnliche physikalische- und chemische Eigenschaften besitzen, gingen die Wissenschaftler davon aus, dass auch die Oxide dieser Reihe alle ähnliche Eigenschaften bei der Wechselwirkung mit Wasser zeigen würden.

Um ihre Hypothese zu bestätigen, pressten sie die Proben zu Pellets und erhitzten sie anschließend bis fast an ihren Schmelzpunkt um sie zu einer keramischen Form zu verschmelzen (Sintern). Die Ergebnisse ihre Untersuchungen bestätigten die Wissenschaftler in ihrer Vermutung, dass die hergestellten Keramikproben intrinsisch hydrophob sind. Die Ursache für das Verhalten der Proben liegt darin begründet, dass die Oberflächenatome bzw. –Moleküle mit einer spezifischen Oberflächenrauheit kombiniert sind. Die Oberflächenrauheit bedingt eine sehr geringe Kontaktfläche und damit sehr geringe Adhäsion zwischen Flüssigkeit und Oberfläche.

Interessanterweise sagte Varanasi, wurde die Benetzungseigenschaften von Oxiden der Lanthanreihe bisher nicht wissenschaftlich untersucht und sind auch in der wissenschaftlichen Literatur bisher wenig dokumentiert. Im Zuge ihrer Untersuchungen dokumentierten die Wissenschaftler laut Aussage von Gisele Azimi auch die Morphologie, Oberflächenchemie, kristallografische Struktur, das Gefüge, die Sinter-Temperatur und die Dichte. In einem Katalog stellten sie die Informationen zur Verarbeitung und Nutzung dieser Materialien zusammen.

Die Forscher des MIT konnten auch zeigen, dass die hergestellten Materialien eine größere Härte besitzen, als viele andere Materialien die derzeit in industrieller Umgebung eingesetzt wird. Obwohl es der Name "Metalle der seltenen Erden" nahelegt, sind diese doch nicht ganz so selten. Einige von ihnen kommen ähnlich häufig vor wie Kupfer oder Nickel. Viele von ihnen können aus Monazit (auch als sekundäre Ablagerungen – Monazitsande) gewonnen werden. Momentan ist die Herstellung allerdings relativ aufwendig und kostenintensiv des weiteren können beim Produktionsprozess giftige Rückstände entstehen.

China ist derzeit der weltweit größte Anbieter dieser Elemente, welche bei vielen Hightech-Anwendungen (z. B. Handys und TV-Displays) zum Einsatz kommen. Die von den MIT Wissenschaftlern eingesetzten Materialien können sowohl als Beschichtung oder aber in loser Form verwendet werden. Ihrer Eigenschaften behalten diese Materialien auch dann noch, wenn sie leichte Beschädigungen aufweisen. Um dies zu beweisen, untersuchte das Team einige dieser Keramiken in einer Dampfumgebung, die in etwa einem Kraftwerkskondensator entspricht. Sie konnten zeigen, dass die hydrophobischen Eigenschaften des Materials erhalten blieben und diese auch Temperaturen von ca. 1000° standhielten. Die Langlebigkeit, Abtriebfestigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit machen diese hydrophobischen Materialien besonders interessant für den Einsatz in Dampfturbinen und Flugzeugtriebwerken.

Quelle: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3545.html

Bitte anmelden, um einen Kommentar zu posten
Zum Seitenanfang