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Von wegen „oberflächlich“

Wie die Natur uns zu besseren Oberflächen und Beschichtungen inspiriert.

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Sie ist die womöglich vielseitigste Beschichtung der Welt: die menschliche Haut. Sie isoliert, kühlt, imprägniert und tötet Keime ab, sie schützt vor Sonne, Nässe und Kälte. Und unser Tastsinn ist sie auch noch. Aber niemand hat unsere Haut entwickelt. Stattdessen hat sie sich über Jahrmillionen allmählich verändert, damit Menschen und Tiere in einer meist feindlichen Welt überleben können.

Technischer ausgedrückt: Unsere Haut ist eine „vielseitige Oberfläche“. Die Natur kennt viele Ausprägungen. Geckos haben an ihren Füßen zum Beispiel Klettband-ähnliche Strukturen, um Wände hochlaufen zu können. Perfide ist der sogenannte „schreckliche Pfeilgiftfrosch“, der über seine Haut ein tödliches Kontaktgift absondert, was ihn zu einem der giftigsten Tiere der Welt macht. Die Völker Südamerikas extrahierten das Gift für ihre Blasrohrpfeile, was dem Frosch seinen Namen verlieh. Auch die Pflanzenwelt hat in dieser Hinsicht einiges zu bieten. Fleischfressende Pflanzen überziehen ihre Blüten mit einer gefurchten, mit Nektar befüllten Schicht, die so glitschig ist, dass Insekten, die vom Nektar angelockt werden, einfach in die Pflanze hineingleiten – ihrem tragischen Schicksal entgegen. Auch unser Zahnschmelz ist eine solche Beschichtung. Dank ihm, und unseren sehr starken Kiefermuskeln, die zu den stärksten des Körpers zählen, können wir mit den Zähnen eine Walnuss knacken – und immer noch lückenlos lächeln.

“Interaktionen an den Oberflächen steuern Leben“, sagt Alex Dommann, promovierter Werkstoffwissenschaftler und Leiter der Abteilung ‘Materials meet Life’ der eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) in St. Gallen. Er weist darauf hin, dass wir von der Natur sehr viel lernen können, was die Entwicklung neuer Oberflächentechnologien angeht – und zwar weit über das hinaus, was wir heute schon erreicht haben.

The strong adhesive nature of the gecko’s feet are known to have inspired superglue. Borrowing this feature, coatings from Oerlikon are powerfully adhesive to metal surfaces, enabling tools to withstand extremely high friction, pressure, usage and heat.
The sea turtle’s hard shell protects it from predators and yet has the right amount of friction for it to swim and maneuver quickly underwater. Mimicking this, Oerlikon coatings also protect turbines used in hydropower generation from wear and erosion, enabling the blades to effectively rotate and optimize energy production.
Side view mirrors can be metallically coated with Oerlikon Balzers’ ePD solution, shielding the mirror’s turn signal during the day while enabling its safety functionality at night, just as a firefly glows as a warning signal.

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Spezielle Beschichtungen machen Materialien haltbarer, leistungsstärker und auch ansehnlicher. So wie unsere Haut als Schmuck gesehen wird – oft zusätzlich verschönert mit Tätowierungen, Piercings, Halsketten und ähnlichem – muss eine industrielle Oberfläche nicht nur schützen, sondern auch gut aussehen. Was dazu führt, dass das Spezialgebiet „Oberflächentechnologien“ mittlerweile in so unterschiedlichen Disziplinen Einzug gehalten hat wie der Luft- und Raumfahrtechnik, der Automobilindustrie, der Bauwirtschaft, der Energieerzeugung und in den biomedizinischen Technologien

Natürliche Oberflächen wie unsere Haut schützen das darunter liegende Gewebe und ermöglichen so dem gesamten Organismus auch unter extremen Umgebungsbedingungen reibungslos zu funktionieren. Wüstenpflanzen müssen lange Dürreperioden überstehen und die kurzen Feuchtigkeitsphasen optimal nutzen; daher haben sie wachsartige Oberflächen und veränderliche Poren entwickelt, mit denen sie den Verdampfungsgrad des Wassers in die Umgebungsluft regeln.

Auch wenn man Wasser abweisen möchte, kann die Natur mit ihren molekularen Strategien als Lehrmeister dienen. Dies nennt man Biomimetik. „Möchte man zum Beispiel eine wasserabweisende Beschichtung herstellen, kann man sich bei der Lotuspflanze einiges abschauen“, sagt Helmut Rudigier, Chief Technology Officer des Oerlikon Segments Surface Solutions. Diese Pflanzen weisen Wasser ab, indem sie den Gasfluss in einem Blatt steuern. Wissenschaftlern hilft diese Beobachtung bei der Entwicklung von Beschichtungen, die die Diffusion von Gasen einschränken – so nutzt sich das darunterliegende Material weniger ab und rostet nicht.

Das gleiche gilt auch für andere anorganische Materialien: So kann man mit Hilfe von Turbinen in einem Kraftwerk Energie aus heißen, unter Hochdruck stehenden Gasen gewinnen – aber bei zu hohen Temperaturen über zu lange Zeit setzt der Sauerstoff den steinharten Turbinen aus Superlegierungen zu, sie korrodieren und fallen irgendwann aus. Doch eine High-Tech-Beschichtung verhindert, dass Sauerstoff in den Stahl eindringt und diesen korrodieren lässt.

Oberflächenbeschichtungen haben zudem Eigenschaften, die das darunterliegende Trägermaterial nicht besitzt. So wird z.B. Titan für Knochenschrauben eingesetzt. Damit es allerdings nicht zu einer Infektion kommt, wird das Titan mit einem silberhaltigen Überzug versehen, der bakterielle Infektionen gar nicht erst entstehen lässt.[i]

Traditionelle synthetische Oberflächenbeschichtungen haben meist genau eine Funktion – nicht mehr.  Anders ist es in der Natur: Unsere Haut, schützt, atmet, fühlt, hält Wärme im Körper, gibt Wärme ab und vieles mehr. Doch auch hier holt die Technik auf: So muss die Oberfläche von Zahnrädern in einem Formel 1 Rennwagengetriebe ausreichend hart sein, um Kräfte so effizient wie möglich zu übertragen und dabei extrem widerstandsfähig sein. Das erreicht man durch den Einsatz von Wolframkarbid. Aber die Zahnräder sollten auch gute Gleiteigenschaften besitzen, um Reibung zu reduzieren und eine maximale Kraftübertragung auf den Antrieb zu gewährleisten. Damit nicht alle Energie knirschend im Getriebe versandet, sondern die PS auch auf die Straße kommen.

Eine Fähigkeit aber, die unsere Haut spielend beherrscht, kann die Technik nicht bieten – noch nicht jedenfalls: Bei einer Schramme z.B. aktiviert der Körper einen Wundheilungsprozess, um die Wunde zu schließen und das beschädigte Gewebe zu ersetzen. Damit wird auch verhindert, dass zu viel Blut – der Treibstoff unseres Körpers – aus der Wunde austritt. In der Technik würde man von einer „intelligenten Beschichtung“ sprechen oder auf Englisch von „smart coating“.

Industrielle Oberflächenlösungen sind bisher noch nicht so anpassungsfähig. Wir bei Oerlikon können zwar noch keine Haut imitieren, aber wir stellen bereits Wundverbände her, deren Fasern bei einer Infektion der darunterliegenden Wunde ihre Farbe ändern. Ebenfalls möglich sind adaptive Flugzeugflügel, die beim Start rauer werden, um den erforderlichen Strömungswiderstand zu erzeugen. Der Pilot muss dann nicht mehr Trimmklappen und Stabilisatoren einstellen, damit das Flugzeug vom Boden abhebt. Später in der Luft justieren sich die Flügel von selbst, reduzieren dadurch die Reibung und nutzen den Luftfluss optimal aus.

Intelligente Oberflächen sind auch in puncto Kosten und Nachhaltigkeit die „intelligentere“ Lösung. Denn sie erfordern weniger Material, verringern den Energieverbrauch und – weil sie mitdenken – reduzieren die Komplexität.

Mit derartigen Beschichtungen ist Oerlikon auf dem Weg in einen stark wachsenden, hochattraktiven Markt, der ganz nah an den Herausforderungen der Technik des 21. Jahrhunderts liegt. „Hautnah“ könnte man sagen.

Ein glänzendes Beispiel

Motorrad-, Oldtimer- und Autoliebhaber sind sich einig: Chrom muss sein! Darum tauchen Autohersteller seit 150 Jahren Stoßstangen und Kühlergrills in ein elektrolytisches Bad aus Chrom, Nickel und anderen Bestandteilen. Allerdings verunreinigen diese Chrom- und Nickelteile das Abwasser und sind im wahrsten Sinne des Wortes Gift für unsere Umwelt. Wer schön sein will, muss leiden. Das muss für unsere Umwelt in diesem Fall nicht gelten.

Denn eine neue Metallisierungstechnologie mit dem Namen ePD, entwickelt von Oerlikon Balzers,  verleiht Kunststoffteilen (nicht nur) an Kraftfahrzeugen den Glanz von Chrom, ist dabei aber günstiger und hat vor allem keine umweltschädlichen Nebenwirkungen. Die Kunststoffteile werden mit einem UV-Lack beschichtet, danach wird die PVD-Schicht aufgetragen und mit einer weiteren UV-Schutzschicht veredelt.

ePD ist jedoch nicht nur nachhaltig, sondern auch „future proof“ und für das digitale Zeitalter gerüstet: Denn die chromglänzende ePD-Beschichtung ist radartransparent. Ein Radarsensor kann also – unsichtbar hinter der chromglänzenden Oberfläche – zum Beispiel den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug oder einem Fußgänger vor dem Auto messen. Ästhetik und Sicherheit vereinen sich so im Auto der Zukunft.

Oberflächlichkeit kombiniert mit Tiefsinnigkeit. Beides geht. Jedenfalls bei Oerlikon.

[i] Dommann; siehe auch Goodman, S., et al., “The Future of Biologic Coatings for Orthopaedic Implants,” Biomaterials. 2013 Apr; 34(13): 3174–3183. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3582840/.

Von Mark Pearl und Veit Etzold

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