Ein Käfer sorgt für kühle Chips

Die Wüste Namib im Südwesten Afrikas ist eine der trockensten Regionen der Erde. Hier fällt manchmal Jahrzehnte lang kein einziger Tropfen Regen. Doch an durchschnittlich 200 Tagen im Jahr, ziehen früh morgens leichte Nebelschwaden vom Meer her über die Sanddünen. Sie offerieren so einzelnen an das harsche Klima angepassten Pflanzen und Tieren einen durstlöschenden und lebenserhaltenden Trunk.

Eines der Tiere ist der zur Gattung der Psammodes gehörende Toktokkie-Käfer. Sein Panzer besteht aus einer ausgeklügelten Oberfläche, die Wassertröpfchen aus dem Nebel extrahiert und über Kanäle an den Mund weiterleitet. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben nun dieses Naturphänomen nachgeahmt und ein spezielles Material entwickelt, das kleinste Mengen an Wasser einfangen und weiterleiten kann.

Das Material setzt sich aus wasserabweisenden Zonen zusammen, die durch wasseranziehende, leicht erhöhte Bereiche unterbrochen werden. Diese spezielle Oberflächenstruktur könnte unter anderem für die Kühlung von Prozessoren gebraucht werden, als Labor auf einem Chip dienen oder sonst als Wassersammelsystem herhalten, wie die beiden Entwickler des Materials, der Chemieingenieur Robert Cohen und der Materialwissenschaftler Michael Rubner erklären. Auf die Idee zu dem wassersammelnden Material kamen die beiden Wissenschaftler nach der Lektüre eine Artikels im Wissenschaftsmagazin Nature 2001. Darin war die Funktionsweise des Panzers des Toktokkie beschrieben. Dessen System funktioniert nämlich auch bei sehr leichtem Nebel, der unter normalen Bedingungen nicht als Tau kondensieren würde. Der Käfer ist aber in der Lage, Tropfen von 15 bis 20 Mikrometer Durchmesser festzuhalten.

Der Ehrgeiz der Forscher bestand nun darin, ein ähnlich nanoporöses Material zu finden. Zu diesem Zweck tauchen sie ein Glas- oder Plastiksub-strat in eine Flüssigkeit, die aus Wasser besteht, in dem einzelne Polymerketten gelöst sind. Jedes Mal, wenn das Trägermaterial in diese Lösung getaucht wird, sammeln sich mehr Polymere an und machen es porös. Um die Oberfläche noch rauer werden zu lassen, wird sie mit Nanopartikeln aus Siliziumdioxid bespickt. Danach wird das Ganze mit einer Teflon-artigen Substanz überzogen. Diese macht die ganze Oberfläche wasserabweisend. Um die porösen, wasseranziehenden Partien wieder freizulegen, wird der Träger schliesslich lokal mit speziellen Lösungen behandelt. «Dadurch lässt sich jede beliebige Struktur erstellen», meint Cohen. Und da sie wie mit einem Tintenstrahler aufgetragen werden könnten, seien sie zudem relativ günstig herzustellen, ist er überzeugt.

In Tests konnten die Forscher bereits eine Flüssigkeit gezielt über eine völlig ebene Fläche laufen lassen. Somit könnten Computerchips mit dem Kanalsystem versehen werden. Durch dieses liesse sich dann eine Kühlflüssigkeit leiten ohne den Einsatz von Pumpen.