Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern

Oberflächen, die mit chemischen Verbindungen aus Seltenen Erden beschichtet werden, entwickeln erst durch den Kontakt mit Luft wasserabweisende Eigenschaften. Dabei kommt es bereits bei Raumtemperatur zu chemischen Reaktionen mit Kohlenwasserstoffen, die sich in der Umgebungsluft befinden. Dass diese Reaktionen für den hydrophoben Effekt verantwortlich sind, berichten Forscher der Universität Basel, des Swiss Nanoscience Institute und des Paul Scherrer Instituts im Wissenschaftsjournal «Scientific Reports».

Die Oxide der seltenen Erden (rot/orange) reagieren mit Kohlenwasserstoffen aus der Luft zu Karbonaten und Hydroxiden (grau/weiss). Die Oberfläche wird dadurch wasserabweisend. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Seltene Erden sind Metalle, die erstmals in seltenen Mineralien gefunden wurden. Sie werden heute unter anderem in Autokatalysatoren und Batterien eingesetzt, zur Produktion von Bildschirmen oder Leuchtmitteln benötigt oder als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomografie verwendet. Durch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten sind Seltene Erden begehrt, und ihr Bedarf steigt ständig.

Zusätzliche Anwendungen für Seltene Erden eröffneten sich, als 2013 amerikanische Forscher berichteten, dass Oberflächen, die mit den Oxiden seltener Erden beschichtet werden, von sich aus wasserabweisende Eigenschaften besitzen. Wissenschaftler der Universität Basel, des Swiss Nanoscience Institute und des Paul Scherrer Instituts haben die hydrophoben Eigenschaften nun zusammen mit der Firma Glas Trösch im Experiment detailliert untersucht.

Hydrophob erst nach chemischer Reaktion
Dazu beschichteten sie Glasplatten mit Oxiden, Nitriden und Fluoriden von Seltenen Erden und analysierten, wie gut sie sich mit Wasser benetzen lassen. Bei frisch hergestellten Beschichtungen konnten die Forscher zunächst keine hydrophoben Eigenschaften feststellen. Erst chemische Reaktionen mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen, die sich in der Umgebungsluft befinden, verleihen den Oberflächen eine erhöhte Rauheit und verringern die Benetzbarkeit mit Wasser. Die gasförmigen organischen Verbindungen aus der Umgebungsluft werden zunächst an der Oberfläche adsorbiert und reagieren dann mit den Oxiden zu Karbonaten und Hydroxiden bis die Oberfläche komplett mit diesen Verbindungen bedeckt ist. Dieser Prozess findet bereits bei Raumtemperatur statt.

«Wir waren überrascht, dass erst das Altern der Oberfläche den wasserabweisenden Effekt hervorruft», kommentiert Prof. Ernst Meyer vom Departement Physik der Universität Basel die Ergebnisse des Projekts, das von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) unterstützt wurde. Aus wissenschaftlicher Sicht ist das sehr aufschlussreich, da auch katalytische Prozesse oft bei Raumtemperatur ablaufen und es daher wichtig ist, die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche zu verstehen.

Für eine industrielle Produktion wasserabweisender Glasoberflächen eignen sich die untersuchten Materialien allerdings offensichtlich nicht, da erst eine aufwendige Lagerung der Gläser erforderlich wäre, bevor sie die gewünschten wasserabweisenden Charakteristika ausweisen.

Originalbeitrag

Elçin Külah, Laurent Marot, Roland Steiner, Andriy Romanyuk, Thomas A. Jung, Aneliia Wäckerlin, & Ernst Meyer
Surface chemistry of rare-earth oxide surfaces at ambient conditions: reactions with water and hydrocarbons
Scientific Reports (2017), doi: 10.1038/srep43369

Weitere Auskünfte

Prof. Dr. Ernst Meyer, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 207 37 24, E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch
Prof. Dr. Thomas A. Jung, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 56 310 45 18, E-Mail: thomas.jung@psi.ch