Ein Forschungsteam der RMIT University in Melbourne, Australien, hat eine neue Beschichtungstechnologie entwickelt, die hochfrequente Schallwellen nutzt, um Flüssigkeiten in mikrometergroße Aerosoltröpfchen zu zerstäuben und so eine gleichmäßige und dichte „unsichtbare Schutzschicht“ auf verschiedenen feinen Oberflächen zu bilden, ohne das Substrat zu erhitzen oder zu beschädigen. Forscher wandten diese Methode zum ersten Mal auf die Blätter der gewöhnlichen Zimmerlaubpflanze Pothos (Epipremnum aureum) an und blockierten wirksam schädliche ultraviolette (UV) Strahlen, ohne die Photosynthese zu beeinträchtigen. Damit demonstrierten sie anschaulich ihre sanfte und dennoch hochwirksame Fähigkeit, „zerbrechliche lebende Organismen“ zu schützen.
Der Kern dieser Arbeit besteht darin, die Technologie der akustischen Mikrofluidik (Akustomikrofluidik) zu verwenden, um den flüssigen Vorläufer so zu steuern, dass er auf der Oberfläche eines winzigen Chips gedehnt und „gebrochen“ wird, der ultrahochfrequente Schallwellen von etwa 10 MHz erzeugen kann und eine zarte Aerosolwolke bildet. Wenn diese Tröpfchen durch die Luft fliegen und sich auf einer Zieloberfläche ablagern, organisieren sie sich selbst zu einer Art kovalentem organischem Gerüstmaterial (COFs) und bilden eine Schutzschicht, die nur Mikrometer dick ist, aber eine kontinuierliche Struktur und genau definierte Funktionen aufweist. Dieser integrierte Prozess „Zerstäubung + Filmbildung“ kann bei Raumtemperatur und Druck unter freiem Himmel durchgeführt werden. Es sind keine hohen Temperaturen, Langzeitreaktionen oder strengen Laborumgebungen erforderlich, die bei herkömmlichen Beschichtungsprozessen üblich sind, was die Anforderungen an Materialien und Umgebung erheblich reduziert.
Kovalente organische Gerüste sind eine Art hochporöser und kristallgeordneter Materialien, die oft als „molekulares Gerüst“ mit nanoskaligen Löchern beschrieben werden. Sie können strukturell so gestaltet werden, dass sie mehrere Funktionen erfüllen, z. B. Licht absorbieren, bestimmte Chemikalien einfangen oder Oberflächen schützen. Allerdings war der Bauprozess von COFs in früheren Anwendungen äußerst „wählerisch“: Normalerweise müssen Vorläufer über einen langen Zeitraum bei hohen Temperaturen reagieren, der Prozess ist komplex und die Bedingungen sind rau. Es lässt sich nur schwer skalieren und eignet sich nicht für den Einsatz auf empfindlichen Substraten wie Pflanzenblättern und flexiblen Folien. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass es bei herkömmlichen Verfahren oft notwendig ist, eine schwierige Entscheidung zwischen „Aufrechterhaltung der geordneten Struktur des Materials“ und „Vermeidung von Schäden an der beschichteten Oberfläche“ zu treffen, und die Schallzerstäubungsplattform bietet eine neue Möglichkeit, dieses Dilemma zu durchbrechen.
In diesem Experiment verwendeten die Forscher Pflanzenblätter als Testobjekte, um die Leistung der Beschichtung auf realen biologischen Oberflächen zu überprüfen: Die COF-Beschichtung kann schädliche ultraviolette Strahlen selektiv absorbieren und gleichzeitig sichtbares Licht ungehindert durchlassen, sodass Pflanzen ihre Photosynthese fortsetzen können. Das Experiment zeigte, dass die Blätter während des gesamten Prozesses der Beschichtung, der UV-Bestrahlung und der anschließenden Entfernung der Beschichtung während des Testzeitraums (60 Tage) keine offensichtlichen Anzeichen von Schäden zeigten, was das Gleichgewicht zwischen Schutzwirkung und Biokompatibilität dieses „Sonic Sunscreen Spray“ unterstreicht. Das Forschungsteam betrachtet dies als „Proof of Concept“ und glaubt, dass diese Plattform das Potenzial hat, in realeren Schnittstellen, Geräten und biologischen Systemen gefördert und angewendet zu werden.
Was den technischen Weg betrifft, verwendet die akustische Mikrofluidikplattform ein Chip-Level-Design, das klein und leicht ist. Das Funktionsprinzip besteht darin, die durchströmende Vorläuferflüssigkeit durch ultrahochfrequente akustische Vibrationen, die auf der Oberfläche des Chips erzeugt werden, kontinuierlich zu dehnen und in stabile feine Tröpfchen zu spalten. Wenn diese Nebeltröpfchen auf eine Vielzahl von Oberflächen aufgetragen werden, ermöglichen sie eine sanfte und äußerst kontrollierte Beschichtungsabscheidung, selbst auf weichen Geweben, die so dünn sind wie Papierhandtücher. Die Forscher betonten, dass diese Methode „Herstellung“ und „Beschichtung“ in einem Schritt vereint, keine zusätzliche Erwärmung oder komplexe Umgebungskontrolle erfordert und offensichtliche Vorteile hinsichtlich der Prozessvereinfachung und des Anwendungsbereichs bietet.
Im Hinblick auf die Anwendungsaussichten widmet das Forschungsteam den möglichen Einsatzmöglichkeiten von COF-Beschichtungen in hochempfindlichen Materialien und Geräten der neuen Generation, darunter Textilien, Kunststoffe, Glas, elektronische Geräte auf Siliziumbasis usw., mehr Aufmerksamkeit. Viele neue elektronische Produkte, Sensoren und Membranmaterialien sind extrem temperaturempfindlich und können herkömmlichen Beschichtungsprozessen nicht standhalten. Sie benötigen jedoch dringend Oberflächenschutzschichten, um Licht, Korrosion oder chemischen Angriffen zu widerstehen. Die Schallzerstäubungstechnologie füllt diese Prozesslücke. An der Studie beteiligte Wissenschaftler wiesen darauf hin, dass diese Methode die Möglichkeiten von COFs von Labormaterialien auf praktische Anwendungen erheblich erweitert und eine neue Situation für ihren Einsatz im Umweltschutz, bei funktionellen Beschichtungen und in der Biotechnologie eröffnet.
Im Hinblick auf die Skalierbarkeit ist das Forschungsteam davon überzeugt, dass diese Akustikplattform auf Chip-Ebene sehr gut für die Integration mit unbemannten Systemen geeignet ist, um großflächige, raffinierte Sprühaufgaben durchzuführen. Dank der Miniaturisierung und den kostengünstigen Eigenschaften des Geräts kann die Plattform auf Drohnen oder autonomen Fahrzeugen installiert werden, um Feldfrüchte oder Waldblätter präzise zu beschichten und so einen großflächigen „Festpunkt-Sonnenschutz“ oder andere funktionale Sprühvorgänge in Außenumgebungen zu erzielen. In Kombination mit den Vorteilen der großtechnischen Produktion, die die Nanofabrikation mit sich bringt, erwarten Forscher, dass diese Technologie in zukünftigen Anwendungen der Biotechnologie und Umwelttechnik in großem Maßstab eingesetzt wird.
Derzeit wurde für diese Technologie ein vorläufiger Patentantrag in Australien eingereicht und entsprechende Forschungsarbeiten wurden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht. Das Forschungsteam erklärte, dass es die Stabilität und Haltbarkeit der Beschichtung unter langfristigen Expositionsbedingungen in der natürlichen Umgebung weiter bewerten und praktische Lösungen für den Schutz elektronischer Geräte, chemische Schutzfilme und andere empfindliche Schnittstellen untersuchen werde. Während Fragen zur Witterungsbeständigkeit im Freien noch beantwortet werden müssen, hat diese neue Methode zur Herstellung und Abscheidung von Beschichtungen, die auf Schallwellen basiert, gezeigt, dass sie das Potenzial hat, bestehende Prozessparadigmen zu durchbrechen.