14.11.2019 - University of Pittsburgh

Kohlenstoff-Nanoröhrchen zeigen Hassliebe zum Wasser

Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) sind wertvoll für eine Vielzahl von Anwendungen. Hergestellt aus Graphenplatten, die zu Rohren gerollt werden, die 10.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar sind, weisen CNTs ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Masse sowie ausgezeichnete thermische und elektrische Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften machen sie ideal für eine Reihe von Anwendungen, darunter Superkondensatoren, Verbindungen, Klebstoffe, Partikelabscheidung und Strukturfarben.

Neue Forschungen zeigen noch mehr Potenzial für CNTs: Als Beschichtung können sie Wasser abstoßen und festhalten, eine nützliche Eigenschaft für Anwendungen wie Drucken, Spektroskopie, Wassertransport oder die Entnahme von Oberflächen. Wenn Wasser auf einen CNT-Wald fällt, stoßen die CNTs das Wasser ab, und es bildet eine Kugel. Beim Umkippen fällt der Tropfen jedoch nicht auf den Boden, sondern haftet an der Oberfläche.

"Im Gegensatz zu superhydrophoben Oberflächen, bei denen Tropfen beim Kippen leicht abperlen, sind CNT-Wälder parahydrophob, bei denen der Tropfen sowohl abgestoßen als auch von der CNT-Oberfläche angezogen wird", erklärt Ziyu Zhou, Hauptautor der Arbeit und Doktorand im LAMP Lab. "Es ist eine Hassliebe."

Der Schlüssel zu diesem Benetzungsverhalten liegt in der Verwendung von CNT-Wäldern, die dicht, vertikal auf der Oberfläche und der inhärent hydrophilen CNT-Oberfläche verpackt sind. Die Wälder sind etwa 100 Mikrometer hoch und so dicht, dass es über 100 Milliarden (1011) CNTs auf 1 cm2 Fläche gibt. Eine gewisse Menge an Wasser sinkt unter die Kohlenstoff-Nanoröhrchen und haftet an dem hydrophilen Material, während der Rest in eine Kugel geschleudert wird.

Diese Forschung stellt die erste Beobachtung der Parahydrophobie von CNT-Wäldern dar, bei denen der Tropfen entlang der Oberfläche rollen kann, aber nicht abfällt, wenn er auf den Kopf gestellt wird. Auch andere Oberflächen in der Natur wie Pfirsichflaum oder Rosenblätter weisen dieses Benetzungsverhalten auf, das für den Flüssigkeitstransport, die Gestaltung von Gewebebeschichtungen, die Membranselektivität und sogar für die Wand kletternde Robotik genutzt werden kann.

Dieses Benetzungsverhalten könnte auch dazu genutzt werden, CNTs in verschiedenen Anordnungen zu konstruieren.

"Frühere Forschungen haben gezeigt, dass CNT-Wälder unter der Anwendung von Wasser instabil sind, aber wir zeigen, dass Wassertropfen in diesen dichten CNT-Wäldern tatsächlich stabil sind", erklärt Paul Leu, PhD, außerordentlicher Professor für Wirtschaftsingenieurwesen an der Swanson School of Engineering der University of Pittsburgh und Autor auf dem Papier. "Dieses Benetzungsverhalten kann verwendet werden, um CNTs zu dichten vertikalen Anordnungen, Oberflächenstreifen und anderen einzigartigen Formen zusammenzusetzen, die für Superkondensatoren, Verbindungen und andere Anwendungen verwendet werden können."

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