Die saubersten Wassertropfen der Welt
Welche Effekte verursacht Wasser auf extrem sauberen Oberflächen? An der TU Wien konnte man mit einer neuen Messmethode zeigen, dass winzige Verunreinigungen Erstaunliches bewirken.
In der Vakuumkammer wird ein hochreiner Eiszapfen hergestellt und dann geschmolzen.
Copyright: TU Wien
Saubere Oberflächen gibt es nicht – außer im Vakuum. Jeder winzige Regentropfen hinterlässt eine Schmutzschicht, sogar der Kontakt mit gewöhnlicher Luft reicht aus, um eine saubere Materialoberfläche augenblicklich mit einer Schicht verschiedener Moleküle zu überziehen. Diese dünnen Schmutzschichten verändern die Eigenschaften des Materials deutlich, sie sind allerdings extrem schwer zu untersuchen. An der TU Wien entwickelte man nun eine neue Untersuchungsmethode: Durch das Herstellen und Schmelzen von hochreinem Eis erzeugt man die saubersten Wassertropfen der Welt und bringt sie auf Titanoxid-Oberflächen auf.
Dadurch konnte man zeigen: Die entscheidenden Übeltäter, die sich an Titanoxid-Oberflächen anlagern sind nicht etwa Wassermoleküle, sondern organische Säuren, die in der Luft eigentlich nur in winzigen Spuren enthalten sind – Essigsäure und Ameisensäure. Diese Ergebnisse und die neue Untersuchungsmethode wurden nun im Fachjournal „Science“ veröffentlicht.
Unerklärte Strukturen
Ein oberflächenphysikalisch besonders gut erforschtes Material ist Titanoxid (TiO2). Es spielt für verschiedene technische Anwendungen eine wichtige Rolle, etwa für Katalysatoren. Immer wieder stellte man fest, dass sich auf der Titanoxid-Oberfläche eigenartige Strukturen ausbilden, wenn es mit Wasser in Kontakt kommt. Diese Strukturen verändern die Benetzbarkeit der Oberfläche – so kann man etwa durch die Beschichtung eines Spiegels mit Titanoxid erreichen, dass er in feuchter Luft nicht beschlägt.
Vermutet wurde, dass es sich bei diesen Strukturen um die Reste von Wasser- oder Kohlendioxidmolekülen handelt, die auf der Oberfläche zerlegt wurden. Doch die richtige Antwort ist deutlich interessanter: Wie das Wiener Forschungsteam herausfand, handelt es sich stattdessen um Carbonsäuren, die von Pflanzen ausgedünstet werden. Besonders erstaunlich daran ist, dass diese Säuren in der Luft nur in winzigen Spuren vorkommen. Unter einer Milliarde von Molekülen der Luft sind nur einige wenige Carbonsäure-Moleküle zu finden. Doch obwohl viele andere Substanzen viel häufiger sind, gelingt es trotzdem gerade diesen Carbonsäuren, die Metalloxid-Oberfläche zu bedecken.
Hochreines Wasser im Vakuum
„Um Verunreinigungen zu vermeiden, muss man solche Experimente im Vakuum durchführen“, sagt Ulrike Diebold. „Man muss also einen Wassertropfen, der niemals mit Luft in Berührung gekommen ist, in der Vakuumkammer auf ein Material aufbringen, das vorher auf atomarer Skala gesäubert wurde.“ Erschwert wird diese Aufgabe noch dadurch, dass Wassertropfen im Ultrahochvakuum sehr schnell verdampfen – ganz unabhängig von der Temperatur.
Man musste sich also eine clevere, neue Untersuchungsmethode ausdenken. Die Lösung war ein „Kühlfinger“, der in die Vakuum-Anlage eingebaut wurde. Die Spitze des gekühlten Metallstifts wird auf etwa -140°C abgekühlt, dann lässt man hochreinen Wasserdampf in die Kammer strömen. Die Wassermoleküle gefrieren an der Kühlfinger-Spitze, ein extrem sauberer kleiner Eiszapfen entsteht. Danach wird die Titanoxid-Probe eingebracht und die Metallspitze erwärmt, bis der Eiszapfen schmilzt und als extrem reiner Wassertropfen auf die Probe tropft.
Carbonsäuren sind Schuld
Danach wurde die Oberfläche mit Hochleistungs-Mikroskopen untersucht – die gesuchten Oberflächenstrukturen waren aber nicht zu sehen. Unter diesen extrem reinen Bedingungen bilden sie sich nicht aus, auch nicht wenn man zusätzlich CO2 in die Kammer strömen lässt. Die Strukturen müssen also aus etwas anderem als Wasser oder Kohlendioxid entstehen.
Nur wenn man die Probe in Kontakt mit Luft bringt, sind die merkwürdigen Oberflächenstrukturen wieder da. Nähere Untersuchungen zeigen, dass es sich dabei um Carbonsäuren handelt, die vermutlich größtenteils von Pflanzen stammen.
„Dieses Ergebnis zeigt uns, wie vorsichtig man bei solchen Experimenten sein muss“, sagt Ulrike Diebold. „Selbst winzige Spuren in der Luft, die man eigentlich für bedeutungslos halten könnte, sind manchmal ausschlaggebend.“
Originalveröffentlichung
J. Balajka et al.; "High Affinity Adsorption leads to Molecularly Ordered Interfaces on TiO2 in Air and Solution"; Science; 2018.
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