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Nanotechnologie zum Anfassen: Lichtinduzierte Superhydrophilie

Michaela Vormoor, Ralf Dillert und Detlef Bahnemann

Institut für Technische Chemie, Leibniz Universität Hannover, Callinstr. 3, 30167 Hannover

Quelle: nanoworld 01/2008

Nie wieder Fensterputzen, kein Scheibenwischer beim Autofahren, nie wieder beschlagende Brillengläser? Diese Vorstellungen scheinen mit superhydrophilen Beschichtungen auf Basis von Titandioxid möglich.

Titandioxid ist ein weißes, anorganisches Pulver,es ist chemisch und biologisch inert und in unserem täglichen Leben fast überall vertreten. Aufgrund seines Brechungsindexes findet es als Weißpigment in Farben, Kunststoffen und Papier Anwendung. Da es als ungiftig gilt, wird es auch in der Kosmetikindustrie und in der Lebensmittelindustrie eingesetzt.

Wird nanoskaliges Titandioxid als Beschichtung mit einer Schichtdicke kleiner 100 nm aufgebracht, so sind diese Schichten aufgrund der geringen Schichtdicke transparent und es treten keine optischen Beeinträchtigungen gegenüber unbeschichtetem Material auf.

Bei Belichten mit Sonnenlicht werden an Titandioxidschichten zwei Effekte beobachtet: Superhydrophilie und Photokatalyse.

Durch die lichtinduzierte Superhydrophilie wird eine Tropfenbildung auf der Oberfläche verhindert; Wasser breitet sich als dünner Flüssigkeitsfilm über die gesamte Oberfläche aus (Abbildung 1).

Abb. 1: Änderung des Kontaktwinkels einer Titandioxidschicht unter Belichtung mit ultraviolettem Licht. (Abbildung: M. Vormoor)

Durch die sogenannte Photokatalyse wird organischer Schmutz auf der Oberfläche der Titandioxid-Schicht aktiv zerstört. Als Endprodukte der vollständigen photokatalytischen Reaktion werden Kohlendioxid und Wasser gebildet.

Aber warum zeigt Titandioxid diese Eigenschaften? Aufgrund seiner Bandlücke von etwa 3,2 e V zählt Titandioxid zu den Halbleitern. Durch Bestrahlung mit Licht, dessen Energie größer ist als diese Bandlücke – also z. B. der ultraviolette Strahlungsanteil des Sonnenlichtes – , werden im Titandioxid Elektron-Loch-Paare gebildet. Diese wandern zur Oberfläche der Schicht und reagieren dort mit adsorbiertem Sauerstoff oder Wasser zu Hydroxyl-Radikalen. Diese Radikale als hochreaktive chemische Spezies sind in der Lage, organischen Schmutz anzugreifen und abzubauen. Die abgebaute Menge ist dabei allerdings sehr gering. So wird nicht beobachtet, dass durch die photokatalytische Titandioxid-Schicht ein Insekt vollständig abgebaut wird. Es sind vielmehr nur die unteren Schichten, die angegriffen werden, aber damit kann der Schmutz durch Wasser oder mechanisch wesentlich leichter entfernt werden. Der genaue Mechanismus der lichtinduzierten Superhydrophilie wird noch sehr kontrovers diskutiert. Die beiden populärsten Meinungen: (1) Die Hydrophilie ist eine Folge der Photokatalyse: Eine Titandioxid-Schicht ist von Natur aus hydrophil, aber durch organische Verunreinigungen wird diese hydrophile Schicht bedeckt und damit hydrophob. Erst nach dem photokatalytischen Abbau dieser Verschmutzungen bildet sich anstelle von Wassertropfen, wie es für eine hydrophobe Oberfläche charakteristisch ist, ein klarer Flüssigkeitsfilm auf der superhydrophilen Oberfläche aus.

(2) Die UV-Bestrahlung induziert eine Änderung der Oberflächenstruktur. Dadurch wird die Zahl von Hydroxylgruppen auf der Oberfläche erhöht. Es bildet sich also eine „wasserähnliche“ Umgebung aus, die zur Ausbreitung des Wassers beiträgt. Auch wenn der Mechanismus noch nicht endgültig geklärt ist, findet diese Technologie doch starkes Interesse und erste Produkte sind schon auf dem Markt. So kann der Traum jeder Hausfrau – nie wieder Fensterputzen – bereits Wirklichkeit werden. Verschiedene Hersteller bieten „selbstreinigendes“ Fensterglas an. Dieses mit einer transparenten Titandioxidschicht überzogene Glas zeigt nach längerem Lagern im Dunkeln keine Superhydrophilie, d. h. Wasser bildet auf dieser Oberfläche Tropfen mit einem Kontaktwinkel von etwa 70 °. Wird das Fensterglas aber einige Zeit dem Sonnenlicht ausgesetzt, so nimmt der Kontaktwinkel bis auf Werte kleiner 10 ° ab (vgl. Abbildung 1). Die lichtinduzierte Superhydrophilie verhindert eine Tropfenbildung des Wassers auf der Oberfläche, wodurch eine klare Sicht durch das Glas gewährleistet ist. Zusätzlich läuft das Wasser als Film an dem Glas entlang und kann somit Verschmutzungen mitnehmen und unterstützt damit noch die Selbstreinigung.

Besonders bei Hochhäusern und schwer zugänglichen Fensterflächen werden die Eigenschaften der Titandioxidschichten optimal genutzt. Durch die täglich verfügbare Sonnenstrahlung werden organische Schmutze auf der Oberfläche angegriffen, die Oberfläche wird hydrophil und der Regen entfernt lose anhaftende Schmutzpartikel. Aber auch die Automobilbranche untersucht derzeit das Potential der superhydrophilen Beschichtungen. Aufgrund von steigender Mobilität und damit verbundener Fahrzeugdichte kommt der Erhöhung der Sicherheit von Fahrzeugen eine immer größere Bedeutung zu. Saubere Autoscheiben, Scheinwerfer- und Sensoroberflächen senken die Anzahl von Unfällen deutlich und erhöhen somit die Sicherheit in Kraftfahrzeugen. Insbesondere bei schlechter Witterung gewährleistet eine schmutzfreie Oberfläche die Funktionssicherheit von Sensoren. Gleichzeitig wird durch saubere, blendfreie Scheiben und Spiegel eine klare Sicht des Fahrers auf die Straße ermöglicht.

So sind auch bei uns inzwischen die in Japan schon seit längerer Zeit eingesetzten hydrophilen Außenspiegel erhältlich. Besonders an trüben Herbsttagen verhindert das nanoskalige Titandioxid das Beschlagen der Scheiben, und das morgendliche Putzen der Spiegel entfällt. Aber auch während einer Regenfahrt zeigt das Titandioxid seine Wirkung, so wird die Tropfenbildung auf dem Spiegel verhindert und die ungestörte Sicht auf den rückwärtigen Verkehr gewährleistet (Abbildung 2).

Abb. 2: Ein superhydrophiler Aussenspiegel (rechts) im Vergleich zu herkömmlichen Spiegeln. (Abbildung: M. Vormoor)

Neben den Außenspiegeln bietet sich der Transfer dieser Technologie auch auf weitere Bauteile, wie z. B. die Windschutzscheibe, Leuchten, lackierte Außenhaut etc. an. Hierzu läuft bereits seit zwei Jahren ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Forschungprojekt mit zwei Automobilkonzernen, einigen Zulieferern, wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und dem Institut für Technische Chemie der Leibniz Universität Hannover, in dem das Potential der Photokatalyse in automobilen Anwendungen bewertet und mögliche Anwendungen entwickelt werden.

Zusätzlich zu den dargestellten Anwendungsgebieten werden die Herstellung superhydrophiler Beschichtungen auf Keramik, Kunststoffplanen und anderen polymeren Werkstoffen, sowie auf Baustoffen am genannten Institut der Leibniz Universität Hannover intensiv untersucht. Allerdings beschränkt sich die Anwendung dieser Nanobeschichtungen aufgrund der Notwendigkeit, Titandioxid durch UV-Licht zu aktivieren, derzeit noch auf den Außenbereich. Daher wird die Modifikation der Titandioxid- Nanopartikel mit dem Ziel ihrer Aktivierung mit dem sichtbaren Anteil des Tageslichtes bereits sehr intensiv am Institut für Technische Chemie verfolgt, so dass wir dem Traum des „selbstreinigenden“ Hauses sicherlich schon bald näher sind.