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Forschende der Universität Konstanz haben eine sanfte, kontaktlose Methode entwickelt, um Flüssigkeiten von mikroskopisch kleinen Oberflächenstukturen zu sammeln und zu entfernen. Indem sie mit Hilfe von Dampf Oberflächenströmungen erzeugen, lenken sie Tropfen auf den Oberflächen gezielt ab.
Zahlreiche moderne Technologien sind auf die Nutzung mikroskopisch kleiner Elemente angewiesen, wie beispielsweise Mikrochips in Smartphones. Bei ihrer Herstellung ist es unumgänglich, die Oberflächen dieser Elemente verschiedenen Arten von Flüssigkeiten auszusetzen, die anschließend rückstandslos entfernt werden müssen. Unter Leitung des Physikers Stefan Karpitschka von der Universität Konstanz haben Forschende nun eine neue Methode entwickelt, diese Flüssigkeiten mittels Oberflächenspannung effizienter vom fertigen Objekt zu entfernen.
Die Spannung macht es spannend
Jede Flüssigkeit besitzt eine natürliche Oberflächenspannung, die unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Bei Wasser ermöglicht diese beispielsweise kleinen Insekten wie Wasserläufern, einfach über die Oberfläche zu laufen. Seifenlauge wiederum lässt sich dank der Oberflächenspannung zu runden Seifenblasen aufblähen. Für mikro- bis nanoskopische Strukturen kann es jedoch gefährlich werden, mit dieser Spannung in Berührung zu kommen. Denn bereits kleinste Krafteinwirkungen fügen den winzigen Strukturen leicht Schaden zu.
Für die Herstellung von Mikrochips sind zahlreiche präzise, komplexe Schritte erforderlich, für die jedoch zum Teil eine Nassbearbeitung unvermeidlich ist. „Um zum Beispiel sehr dünne Scheiben aus Silizium, sogenannte Siliziumwafer, in fertige Mikrochips zu verwandeln, sind gleich mehrere Schritte nötig, bei denen das Material nur feucht bearbeitet werden kann. Beispielsweise werden die Transistoren in Säurebädern geätzt und müssen dann wieder getrocknet werden“, sagt Karpitschka. Zur rückstandslosen Entfernung der genutzten Flüssigkeit ist ein simples Abwischen aufgrund der Größe und Empfindlichkeit des Objekts allerdings keine Option. „Auch ein Verdampfen der vorhandenen Flüssigkeit ist nicht möglich. Vorhandene Schmutzpartikel würden dann auf dem Objekt zurückbleiben, statt mit der Flüssigkeit abtransportiert zu werden“, erklärt der Physiker weiter.
Strömungen in die richtige Richtung führen
Das Forschungsteam hat also eine Möglichkeit gesucht, die Flüssigkeit gezielt abzuführen, und nun eine Methode entwickelt, bei der die Oberfläche nicht berührt wird – was einen schonenderen Prozess ermöglicht. Dafür machen sie sich die sogenannte Marangoni-Kraft zunutze: „Wenn aneinandergrenzende Bereiche einer Oberfläche unterschiedliche Spannungen haben, entsteht eine Art Tauziehen zwischen ihnen. Die stärkere Seite gewinnt und verdrängt die schwächere“, erklärt Karpitschka. „Flüssigkeit, die sich unterhalb der Oberfläche befindet, wird von ihr mitgezogen und in die gewünschte Richtung geleitet.“
Zur Erzeugung einer Strömung müssen also zunächst unterschiedliche Oberflächenspannungen erzeugt werden. Die Forschenden erreichen dies durch einen Schritt, der zunächst widersprüchlich erscheint: Sie bringen noch mehr Flüssigkeit ein. Dafür verdampfen sie in ihrem Experiment zum Beispiel Alkohol, der eine geringere Oberflächenspannung als das zu entfernende Wasser hat. Dieser Dampf kondensiert auf der bereits vorhandenen Flüssigkeit, wodurch die gewünschten unterschiedlichen Spannungen entstehen. „Die dadurch erzeugten Strömungen konnten wir gezielt über die gesamte Oberfläche lenken und so die winzigen Flüssigkeitsreste zu immer größer werdenden Tropfen ansammeln“, so Karpitschka. Optisch ähnelt das Ergebnis Regentropfen, die an einer Scheibe herab- und ineinanderlaufen und dabei immer größer werden – nur dass der Verlauf von den Forschenden gezielt gelenkt werden kann.
Der Einsatz dieser neuen Methode ist in vielen Bereichen möglich, in denen mit mikrostrukturierten Oberflächen gearbeitet wird. Die Trocknung selbst winziger Oberflächen ist dadurch zerstörungsfrei möglich, was eine effizientere Herstellung verschiedener Mikro- und Nanomaterialien ermöglicht.
Faktenübersicht:
- Originalpublikation: Ze Xue, Raphael Saiseau, Olinka Ramírez Soto, Stefan Karpitschka (2026): Vapor-mediated wetting and imbibition control on micropatterned surfaces, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (1) e2519761122, DOI: 10.1073/pnas.2519761122
- Stefan Karpitschka ist Professor für Physik an der Universität Konstanz. In seiner Forschung beschäftigt er sich schwerpunktmäßig mit lebender und weicher Materie sowie Strömungsphysik auf Mikro- und Makroebene.
Ze Xue, Raphael Saiseau, Olinka Ramírez Soto, Stefan Karpitschka (2026): Vapor-mediated wetting and imbibition control on micropatterned surfaces, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (1) e2519761122, DOI: 10.1073/pnas.2519761122
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Wassertropfens auf einer S-förmigen Spur aus hunderten von M ...
Quelle: Saiseau/Xu/Saiseau/Karpitschka
Copyright: R. Saiseau, Z. Xu, G. Kiliani & S. Karpitschka
PI Nr. 1_2026 Trocken dank Strömung
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Wassertropfens auf einer S-förmigen Spur aus hunderten von M ...
Quelle: Saiseau/Xu/Saiseau/Karpitschka
Copyright: R. Saiseau, Z. Xu, G. Kiliani & S. Karpitschka
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