Wassermoleküle bewegen sich anders als gedacht über zweidimensionale Oberflächen – ein neuer Ansatz für das Design von Enteisungsbeschichtungen, mikrofluidischen Geräten und Schmierstoffen.
«Wir neigen dazu, Wasser als simpel anzusehen, aber auf molekularer Ebene verhält es sich ziemlich aussergewöhnlich», sagt Marco Sacchi von der University of Surrey. «Unsere Arbeit zeigt, dass kleinste Details einer Oberfläche die Bewegung von Wasser verändern können – etwas, das uns helfen könnte, bessere Beschichtungen, Sensoren und Geräte zu entwickeln.» Die Anwendungsmöglichkeiten erstrecken sich auf alles, was auf der Steuerung von Wasser im Nanobereich beruht.
Unerwartete Wasserbewegung
Marco Sacchi und weitere Forscher aus Surrey und Wien haben in einer Studie in Nature Communications verglichen, wie sich einzelne Wassermoleküle über Oberflächen von hexagonalem Bornitrid (h-BN) und von Graphen bewegen. Sowohl Graphen als auch h-BN sind ultradünne, blattartige Materialien mit ähnlichen Wabenstrukturen. Während Graphen jedoch elektrisch leitfähig ist, ist h-BN ein Isolator. Dieser Unterschied manifestiert sich in der Art und Weise, wie Oberflächen mit Wasser interagieren.
Mit Hilfe der Helium-Spin-Echo-Spektroskopie entdeckten die Forscher, dass sich Wassermoleküle auf h-BN drehend und rollend bewegen wie ein Kreisel auf einer Tischplatte. Auf Graphen dagegen springen sie zwischen definierten Stellen. «Es ist fast so, als würde das Molekül gehen statt hüpfen», sagt Anton Tamtögl vom Institut für Experimentalphysik der Technischen Universität Graz. «Diese kontinuierliche, rotierende Bewegung war völlig unerwartet.»
Auf die Unterlage kommt es an
Um zu verstehen, warum das so ist, modellierten die Forscher die Bewegung auf atomarer Ebene mittels Computersimulationen. Sie fanden heraus, dass Wasser auf h-BN leichter gleitet, wenn dieses Material auf einer Nickelschicht liegt. Es gibt dort weniger Reibung, so dass sich ein einzelnes Wassermolekül einfacher bewegen kann. Auf Graphen ist es umgekehrt: Das Metall darunter «verbindet» die inneren Schwingungen des Wassermoleküls stärker mit der Oberfläche. Dadurch entsteht mehr Reibung, und das Molekül kann sich weniger geschmeidig fortbewegen.
«Die Unterlage unter dem 2D-Material erwies sich als entscheidend», erklärt Marco Sacchi. «Sie kann das Verhalten von Wasser komplett verändern – und sogar das Gegenteil von dem bewirken, was wir erwartet hatten.»
Beschichtungen der nächsten Generation
«Wenn wir durch die Wahl des richtigen Materials und Substrats die Bewegung von Wasser steuern können, könnten wir Oberflächen entwickeln, die die Benetzung kontrollieren oder der Vereisung widerstehen», sagt Anton Tamtögl. «Das ist für alles, von Beschichtungsanwendungen bis hin zu Entsalzungsmembranen, von grossem Wert.»
