Mit einem Trick tauchen verschiedene Insekten ins Wasser, ohne dabei nass zu werden: Winzige Strukturen auf ihrer Oberfläche halten einen dünnen Film aus Luft fest, der die Tiere schützt. Dieses Prinzip konnten Dr. Alexander B. Tesler vom Lehrstuhl für Korrosion und Oberflächentechnik und Prof. Dr. Wolfgang H. Goldmann vom Lehrstuhl für Biophysik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam jetzt auf Werkstoffe übertragen. In Zukunft könnten solche Materialien zum Beispiel künstliche Gelenke in der Medizin oder Schiffsrümpfe in der Technik erheblich verbessern, weil sie Schmutz und Mikroorganismen abweisen.
Auf dem Weg dorthin erreichten Forschungsgruppen an der FAU, der Harvard University im US-amerikanischen Cambridge, der Aalto University im finnischen Espoo und an der North Dakota State University im US-amerikanischen Fargo jetzt einen Durchbruch, über den sie in der Fachzeitschrift Nature Materials (https://doi.org/10.1038/s41563-023-01670-6) berichten: Koordiniert von den FAU-Wissenschaftlern Alexander B. Tesler und Wolfgang H. Goldmann konnten sie solche bisher nicht dauerhaft haltbaren Oberflächen erheblich stabilisieren. Während diese Werkstoffe den dünnen Luftfilm an ihrer Oberfläche sonst rasch wieder verlieren, war diese schützende Hülle in den FAU-Experimenten auch noch nach 208 Tagen unter Wasser intakt. Wir vermuten, dass sie noch viel länger hält und möchten das in weiteren Studien auch zeigen, erklärt Alexander B. Tesler.
Für ihre Untersuchungen verwendet die Gruppe eine in der Medizintechnik häufig genutzte Legierung, die zu 90 % aus Titan, zu 6 % aus Aluminium und zu 4 % aus Vanadium besteht. Die Oberfläche dieses Werkstoffs wird mit einer Kombination aus ebenfalls gut bekannten elektrochemischen Reaktionen und einer basischen Flüssigkeit behandelt, die noch dazu häufig wiederverwendet werden kann und so das Verfahren sehr nachhaltig macht. Dabei wird ein Teil der Oberfläche entfernt und es bleibt eine extrem raue Struktur zurück, in der einzelne Teile von etwa einem Tausendstel Millimeter Höhe herausragen, während der Abstand zwischen diesen Mikrometergebilden sogar im Nanometerbereich von Millionstel Millimetern liegt.
So behandelte Materialien haben verblüffende Eigenschaften: Wird ein Plättchen aus einer unbehandelten Titanlegierung ein einziges Mal in Blut getaucht und wieder herausgezogen, klebt an der Oberfläche ein kräftiger roter Film. An der gleichen Legierung mit der mikro- und nano-rauen Oberfläche haften dagegen nach etlichen Malen Eintauchen immer noch keine sichtbaren Blutreste. Noch faszinierender ist ein weiteres Demonstrationsexperiment: Während Blutstropfen auf einer herkömmlichen Aluminiumlegierung zwar ablaufen, aber rasch auch einen schmierigen roten Film hinterlassen, schießen solche Tröpfchen auf einer superrauen Oberfläche im Blitztempo davon und hinterlassen keine sichtbaren Blutspuren.
Ähnliches passiert auch mit Bakterien und anderen Zellen, die sich an die Oberfläche der unbehandelten Titanlegierung gut anheften können, während sie auf einem mikro- und nano-rauen Plättchen kaum auftauchen. FAU-Forscher Wolfgang H. Goldmann ist der Überzeugung, dass die Mikroorganismen sich normalerweise an eine feste Oberfläche heften, die jedoch unter der Lufthülle verborgen bleibt. Ohne festen Untergrund überleben diese Winzlinge nicht lange. Das ist eine gute Nachricht für Patientinnen und Patienten, die ein künstliches Hüft- oder Kniegelenk brauchen oder deren Herzkranzgefäße mit Stents offengehalten werden. Bestehen solche Implantate aus herkömmlichen Titanlegierungen, benötigen sie eine Antibiotikabehandlung, um Infektionen vorzubeugen. Beim gleichen Material mit einer mikro- und nanorauen Oberfläche kann nach Aussage von Wolfgang H. Goldmann in Zukunft auf Antibiotika vermutlich verzichtet werden. Bis es soweit ist, dürften aber noch einige Forschungs- und Entwicklungsjahre vergehen.
Die aerophilen Titanproben wurden auf (a) Blechen, (b-c) Spulen und Stäben mit eingeschlossenem Luftfilm unter Wasser hergestellt; die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen die aerophile Titanoberfläche in der Draufsicht (d) und im Querschnitt (e) (Bild: FAU)
Das gilt auch für eine Anwendung unter Wasser. Luftbeschichtete Oberflächen spielten den Erkenntnissen von Stefan Kolle zufolge bisher keine große Rolle für die Entwicklung von Schiffbeschichtungen und anderen maritimen Anwendungen. Der Forscher von der Harvard University ist der Meinung, dass mit der hier demonstrierten Stabilität des Luftfilms und dem Verständnis der fundamentalen Prinzipien, sich nun neue Möglichkeiten für umweltfreundliche und reibungsarme Oberflächen für den Einsatz im Meer eröffnen.
Mit ihrer Studie hat die Gruppe nämlich auch gezeigt, dass Muscheln und Seepocken an der mikro- und nano-rauen Oberfläche der Titanlegierung kaum Chancen haben. Allerdings wäre dieser Werkstoff für einen Schiffsrumpf viel zu teuer. Harvard-Forscher Stefan Kolle geht davon, dass mit anderen Methoden ähnlich raue Oberflächen auch bei anderen Metallen und ihren Legierungen geschaffen werden können. Solche Materialen sind zwar noch Zukunftsmusik. Die Tür zu solchen Werkstoffen aber haben die von der FAU koordinierten Experimente weit aufgestoßen.
Kontakt:
Dr. Alexander B. Tesler, Lehrstuhl für Korrosion und Oberflächentechnik; E-Mail: alexander.tesler@fau.de
Prof. Dr. Wolfgang H. Goldmann, Lehrstuhl für Biophysik; E-Mail: wolfgang.goldmann@fau.de
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