Mechano-responsive und dynamische Elektro-Benetzung von durch Abformprozesse hergestellten laser-induzierten periodischen Oberflächenstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank. A. Müller
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470373333

Das vorliegende Forschungsvorhaben kombiniert Aspekte der Materialsynthese (Laserbearbeitung, Replika-Gießverfahren und Oberflächenfunktionalisierung) mit der mechano-responsiven Benetzung von Elastomeren und der Elektro-, Pyro- und Piezobenetzung von ferroelektrischen Polymeren. Dabei konzentriert sich unser Forschungsvorhaben auf die dynamische Benetzung von flexiblen Polymersubstraten. Zu diesem Zweck werden wir spezifische Mikro- und Nanostrukturen auf der Oberfläche von dehnbaren Polymeren realisieren. Das Benetzungsverhalten wird durch die Oberflächenfunktionalisierung und verschiedene externe Auslöser gesteuert. Die Mikro- und Nanostrukturen werden auf einem metallischen Mastersubstrat in Form von sogenannten laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen (LIPSS) mit Hilfe eines fs-Lasers hergestellt. Anschließend wird das LIPSS-Modell in einem Replika-Gießverfahren auf flexible und dehnbare Polymerproben übertragen.In einem ersten Ansatz werden hydrophile und hydrophobe Oberflächengruppen durch ein sequentielles Verfahren mittels Hydroxylierung und selektiver Silanisierung an die strukturierte Oberfläche gekoppelt. Im Kontakt mit Wasser zeigen die so vorbereiteten Proben superhydrophobes Verhalten aufgrund von rauhigkeitsinduzierten Lufteinschlüssen. Das Strecken der Probe reduziert den Kontaktwinkel, da die Rauheit reduziert wird und eine zunehmende Anzahl hydrophiler Funktionsgruppen mit dem Wassertropfen in Kontakt kommt. Bei anhaltender Dehnung wird die Oberfläche durch die zunehmende spezifische Menge an polaren Gruppen hydrophil. Auf diese Weise kann die Benetzbarkeit des Polymers durch mechanische Verformung über einen weiten Bereich reversibel eingestellt werden.Unser zweiter Ansatz basiert auf der Elektrobenetzung von polarisierten ferroelektrischen Polymeren. Hier kann der Kontaktwinkel durch eine externe Spannung zwischen dem Wassertropfen und dem Substrat gesteuert werden. Basierend auf dem Pyro- bzw. Piezoeffekt des ausgewählten Polymers kann der Kontaktwinkel durch Temperatur oder mechanische Belastung als externer Auslöser eingestellt werden. Der Startpunkt des Kontaktwinkels und damit der maximale Arbeitsbereich wird durch das LIPSS-Modell festgelegt, das durch den Replika-Gießprozess auf die Polymere übertragen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen