Nanotechnik zur Partikelschichtung bietet neue Möglichkeiten für Innovation
Das EU-geförderte Projekt BARRIER PLUS hat Ergebnisse von Experimenten veröffentlicht, mit denen die Forscher – sowohl theoretisch als auch experimentell – erfolgreich demonstrieren konnten, dass bei Farbe, die aus zwei Partikeln unterschiedlicher Größe besteht, sich diese, wenn sie groß genug sind, während der Trocknung trennen. Als Ergebnis bilden die kleineren Teilchen, deren Größe im Nanobereich liegt, also bei rund einem Tausendstel eines menschlichen Haars, eine Schicht über den größeren Partikeln: eine völlig neue Technik. Durch die Herstellung von Kolloiden, die zu einer Zweischichtstruktur trocknen, könnte dieser Effekt die Entwicklung von Kosmetika und elektronischen Geräten mit neuen Eigenschaften ermöglichen. Wenn die Flüssigkeit in einem trocknenden Kolloid verdampft, werden die Partikel unter der Verbindung näher aneinander gepresst, da die brownsche Bewegung dazu führt, dass die Teilchen sich zufällig zusammendrängen. Bei kleineren Teilchen ist die brownsche Bewegung schneller, sodass diese leichter in der Lage sind, sich neu anzuordnen, wenn das Volumen des Kolloids abnimmt. Größere Partikel können sich nicht so schnell weg bewegen und sammeln sich deshalb an der Grenzfläche zwischen Oberfläche und Luft. Bei Forschungen an Kolloiden, die Teilchen unterschiedlicher Größen enthalten, wurde festgestellt, dass sich größere Partikel bei bestimmten Verdampfungsraten oben im Trocknungsfilm sammeln, während kleinere Partikel gleichmäßiger verteilt waren. Es wurde allgemein angenommen, dass das Gleiche für alle Verdunstungsraten gilt. Unerwartete und unberechenbare Schichtung Doch die Forscher von BARRIER PLUS an der University of Surrey, Großbritannien, entdeckten das genaue Gegenteil, als sie eine Suspension, die zwei Größen von Partikeln enthielt, genauer unter die Lupe nahmen. Sie beobachteten eine Schichtung, die weder erwartet noch berechenbar war. In den Monaten danach überprüften sie ihre Ergebnisse, sowohl mit detaillierten Computersimulationen als auch mit Laborexperimenten, an Kolloiden auf Wasserbasis, die kugelförmige Teilchen in zwei Größen enthielten. Das Team modellierte Suspensionen mit großen und kleinen Partikeln mit unterschiedlichen Größenverhältnissen und mit mehreren verschiedenen Anteilsverhältnissen. Wenn das Wasser verdampfte, bewegten sich die kleineren Kugeln nach oben, während die größeren absanken. Der Effekt trat für Größenverhältnisse im Bereich von 2:1 bis 14:1 auf, aber nur dann, wenn die Anzahl der kleinen Teilchen um mindestens das 200-fache höher als die Anzahl der großen war. Daraufhin überprüften sie den Effekt mithilfe von Acrylteilchen mit Durchmessern von 385 und 55 Nanometer in Wasser und markierten die größeren Partikel mit einem roten Fluoreszenzfarbstoff. Nach dem Trocknen der Kolloide beobachteten sie, dass die Teilung der Partikel wieder aufgetreten war, allerdings nur unter der Voraussetzung, dass das Zahlenverhältnis von kleinen und großen Teilchen größer als 200 war. Innovationsmöglichkeiten Auf Grundlage der Experimente von BARRIER PLUS könnte dieser Prozess der Partikelschichtung zur Entwicklung neuer und innovativer Produkte in einer Vielzahl von Branchen führen. Zum Beispiel eine Sonnencreme, wo sich die das Sonnenlicht blockierenden Partikel beim Auftragen oben ansammeln, während die Partikel, die an der Haut haften sollen, die untere Schicht bilden. Möglichkeiten gibt es auch für die Elektronikindustrie, etwa als Beschichtung für ein Mobiltelefon mit Doppeleigenschaften wie etwa Kratzfestigkeit auf der Oberfläche und Haftfähigkeit für die untere Schicht. Das Projekt BARRIER PLUS will eine wasserbasierte Einkomponenten-Barrierebeschichtung entwickeln, die sich durch niedrigere VOC-Emissionen auszeichnet und für die menschliche Gesundheit sicherer als zwei Komponentenlacke ist. Das Projekt soll im Dezember 2016 abgeschlossen werden und hat fast 3 Mio. Euro an EU-Mitteln erhalten. Weitere Informationen unter: Projekt-Website von BARRIER PLUS
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Vereinigtes Königreich
