Einer der Hauptschwerpunkte des Josef Ressel Zentrum lag auf der Oberflächenfunktionalisierung. Unter Funktionalisierung wird hier die Steuerung des Benetzungsverhaltens der Oberfläche mittels Laserstrukturierung verstanden.

Der Femtosekundenlaser ist ein ideales Werkzeug, um nahezu beliebige Oberflächentopografen durch einen schnellen Direktschreibprozess herzustellen. Darüber hinaus hat der Femtosekundenlaser die Fähigkeit, eine große Vielzahl an Materialien mit hoher Präzision und mit minimaler thermischer Belastung zu strukturieren. Als Ergebnis dieser Arbeiten wurde unter anderem ein Herstellungsprozess entwickelt, um Oberflächen mit hohem Benetzungskontrast zu erzeugen. Dieses Verfahren wurde vom Projektpartner Spectra-Physics patentiert und als ClearSurface vermarktet.

Clear surfaceTM
Der Herstellungsprozess einer auf Basis von ClearSurfaceTM gefertigten funktionalen Oberfläche erfolgt in drei Schritten. Im ersten wird ein hydrophiles (wasseranziehendes) Substrat, beispielsweise Glas, mit dem Laser strukturiert. Das Ziel liegt in der Herstellung einer sogenannten hierarchischen Oberflächenstruktur, bei welcher sich Geometrien im Mikrometerbereich mit kleineren Strukturen im Nanometerbereich überlagern.
Nach diesem ersten Strukturierungsschritt verhält sich die Oberfläche superhydrophil (stark wasseranziehend). Durch anschließendes Beschichten mit einem teflonartigen Polymer als zweiten Schritt wird dieselbe Oberfläche superhydrophob mit einem Benetzungsverhalten ähnlich der Lotusblüte (Lotuseffekt).
Um Strukturen mit hohem Benetzungskontrast herzustellen folgt ein abschließender Strukturierungsschritt bei welchem mit dem Femtosekundenlaser die Polymerschicht selektiv wieder abgetragen wird. Durch den direktschreibenden Laserprozess kann dies mit beliebigen Geometrien umgesetzt werden. Die hohen Benetzungskontraste werden in der Abbildung demonstriert. Zu sehen ist das Logo von Spectra-Physics aus Wasser. Das Substrat ist flach, das Wasser wird allein durch die sehr großen Unterschiede in der Benetzbarkeit der Oberfläche regelrecht aufgetürmt. 

Bionik
Ein Beispiel dafür wie ClearSurfaceTM im Bereich der Bionik Anwendung findet konnte im Rahmen einer Masterarbeit gezeigt werden. In dieser wurde die Oberfläche eines „nebeltrinkenden“ Wüstenkäfers mittels Laserstrukturierung nachempfunden. Winzige Hügel auf den Flügeln dieses Käfers weisen eine glatte, wasseranziehende Oberfläche auf. Die Täler dazwischen sind dagegen rau und mit einer wachsähnlichen Substanz überzogen, so dass sie Feuchtigkeit abweisen. Sobald die an den Erhebungen hängenden Wassertropfen eine gewisse Größe erreicht haben, lösen sie sich und rollen durch die Rinnen herab zum Maul des Käfers. Dieses Verhalten aus der Natur konnte mit ClearSurfaceTM auf einer Glasoberfläche nachempfunden werden. Messungen zeigen eine deutliche Erhöhung der Wassersammelrate im Vergleich zu einer unbearbeiteten Probe.  

Publikationen

E. Kostal, S. Stroj, S. Kasemann, V. Matylitsky and M. Domke: Fabrication of Biomimetic Fog-Collecting Superhydrophilic-Superhydrophobic Surface Micropatterns Using Femtosecond Lasers, Langmuir 34(9):2933-2941 (2018), doi: 10.1021/acs.langmuir.7b03699.

Clear Surface

Demonstration einer mittels ClearSurfaceTM hergestellten Glasoberfläche. Das Logo des Projektpartners Spectra-Physics weist eine superhydrophile Oberfläche auf. Das Wasser konzentriert sich auf dieser Fläche und benetzt die Außenbereiche nicht.