Atomstruktur beeinflusst Wasserbewegung stärker als gedacht

Wie sich Wasser auf ultradünnen Werkstoffen bewegt, hängt stark von deren Atomstruktur ab. Eine Studie liefert überraschende Dynamiken – und eröffnet neue Fragen für Hightech-Oberflächen.

Wasser bewegt sich auf zweidimensionalen Materialien je nach Atomstruktur deutlich unterschiedlich. Zu diesem Ergebnis kommt ein Forschungsteam der TU Graz und der University of Surrey in einer Studie im Fachmagazin Nature Communications. Die Forschenden untersuchten die ultradünnen Werkstoffe Graphen und hexagonales Bornitrid (h-BN), die beide eine wabenförmige Struktur besitzen, sich aber elektrisch unterscheiden. Während Graphen leitfähig ist, gilt h-BN als keramischer Isolator.

Wie das Team berichtet, führe dieser Unterschied zu völlig verschiedenen Bewegungsmustern einzelner Wassermoleküle: Auf Graphen sprängen sie typischerweise zwischen energetisch bevorzugten Punkten, auf h-BN hingegen rollten sie fast gleitend über die Oberfläche.

Geringere Reibung

Ermöglicht wurde die Beobachtung durch Helium-Spin-Echo-Messungen an der TU Graz. Parallel simulierte die Universität Surrey das Verhalten auf atomarer Ebene. Die Daten zeigen demnach geringere Reibung auf h-BN, besonders wenn der Werkstoff auf Nickel aufliege. Bei Graphen verstärke der gleiche Untergrund hingegen die Wechselwirkung mit Wasser und erhöhe die Reibung.

Entscheidend sei auch das Trägermaterial unter der 2D-Schicht. Anton Tamtögl von der TU Graz erklärte, der Untergrund könne "komplett verändern, wie sich Wasser verhält und sogar Erwartungen umkehren". Durch die Wahl von Material und Substrat lasse sich das Bewegungsverhalten gezielt steuern. Das könne perspektivisch Oberflächen beeinflussen, die Benetzung, Reibung oder Vereisung kontrollieren sollen – etwa bei Beschichtungen, Schmierstoffen oder Membranen zur Wasseraufbereitung.