Max ärgerte sich mächtig darüber, dass es in der Nacht geregnet hatte – und dass auch noch eine Katze über sein frisch gewaschenes Auto spaziert war. Als er das dann tags darauf unter einer Linde parkte und es abends mit Honigtau verklebt wiederfand, war Max vollends sauer.
Ein Auto, das ganz von allein wieder sauber wird, ist zwar nicht so bald in Sicht – aber es gibt schon Glasscheiben, die sich von selbst reinigen. Titandioxid (TiO2) heißt die Substanz, die dafür sorgt. Im Sonnenlicht startet sie chemische Prozesse, die mit TiO2 beschichteten Flächen eine selbstreinigende Wirkung verleiht. Forscher an neun verschiedenen Fraunhofer-Instituten haben sich zu einer Allianz für Photokatalyse zusammengeschlossen, um diesen Effekt nutzbar zu machen sowie neue Anwendungen, Mess- und Beschichtungsverfahren zu entwickeln.
Schon seit den 1990er-Jahren ist ein anderer Selbstreinigungseffekt bekannt: der Lotuseffekt, der Eigenschaften von Wasserpflanzen imitiert. Er beruht auf einer wasserabweisenden Oberfläche, die mit unzähligen mikroskopisch kleinen Noppen besetzt ist. Sie bewirken, dass Schmutzteilchen nicht auf der Oberfläche haften bleiben und von abperlenden Wassertropfen einfach weggespült werden. Doch Lotusschichten eignen sich nicht für Fenster und glänzende Oberflächen, da die Noppenstruktur sie matt wirken lässt. Außerdem gehen sie unter Druck oder Spannung leicht kaputt. Beschichtungen aus Titandioxid sind robuster und lassen sich auch auf durchsichtigen Materialien auftragen.
Mit TiO2 veredelte Produkte wie Fensterscheiben und Wandfarben gibt es bereits. Sie enthalten 200 bis 300 Nanometer große Partikel des Oxids. Leuchtend weißes Pigment aus TiO2 ist vor allem wegen seiner starken Deckkraft begehrt. Da es ungiftig ist, werden damit auch Zahncremes und Kaugummis aufgehellt.
Zum reaktionsbeschleunigenden Photokatalysator wird das Pigment aber erst, wenn man es zu Teilchen von wenigen Nanometer Durchmesser zerkleinert. Dann verliert das Oxid seine deckende Wirkung, und die Oberfläche der Nanopartikel vergrößert sich drastisch. Außerdem kommt es zu neuen Effekten auf atomarer Ebene: Das Material wird zum Halbleiter, in dem sich Elektronen durch Licht anregen lassen. „Titandioxid kann unterschiedliche Kristalle bilden, von denen das sogenannte Anatas am meisten UV-Licht absorbiert und daher der beste Katalysator ist”, sagt Karl-Heinz Haas, der am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg für chemische Nanotechnologie verantwortlich ist. Neben der Titanverbindung gibt es zwar auch andere photokatalytische Substanzen, doch die haben eine schwächere Wirkung und zerfallen rasch.
Zerstörerische Reaktionen
Im TiO2 ist jedes Titan-Atom mit sechs Sauerstoff-Atomen verknüpft, und diese wiederum lagern sich mit je zwei weiteren Titan-Atomen zusammen. „Trifft ultraviolettes Licht mit 360 bis 380 Nanometer Wellenlänge darauf, kommt zusammen mit Wasser und Luftsauerstoff ein chemischer Prozess in Gang”, sagt Gerhard Schottner, der am ISC den Geschäftsbereich Umwelt leitet. „Er zerstört organische Stoffe, die in Verunreinigungen oder in den Zellwänden von Mikroorganismen stecken.” Anorganische Materialien wie Sandkörnchen sind dagegen stabil und widerstehen dem chemischen Angriff.
Ein anderer Effekt tritt auf, wenn Kristalle von energiereicheren Photonen mit 254 Nanometer Wellenlänge getroffen werden. Dann lassen Veränderungen im Kristallgitter bei der Reaktion mit Wasser sogenannte Hydroxid-Anionen entstehen. Diese elektrisch geladenen Teilchen bewirken, dass sich die Oberfläche viel leichter benetzen lässt. Die Folge: Ein Wassertropfen zerfließt zu einem dünnen Film, der sich unter verschmutzte Stellen schiebt – sie lassen sich dadurch leichter reinigen. Während dieser Effekt über mehrere Stunden hinweg und auch im Dunkeln bestehen bleibt, benötigt die katalytische Wirkung eine ständige Beleuchtung.
Sehr wirkungsvoll ist der katalytische Reinigungseffekt zum Beispiel in der Zahnmedizin: Bakterielle Ablagerungen auf einem Zahnimplantat können eine Entzündung hervorrufen, die den Kieferknochen schädigt. „Unsere Idee ist, mit TiO2 beschichtete Implantate bei jedem turnusmäßigen Zahnarztbesuch mit UV-Licht zu bestrahlen”, sagt Christian Oehr vom Stuttgarter Fraunhofer- Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB). „ Dadurch wird der Film aus Speichel-Proteinen zerstört, und die Plaques lassen sich einfacher entfernen.”
Keine Zukunftsvision mehr sind Betonpflastersteine der Firma Franz Carl Nüdling (FCN) aus Fulda. Sie sorgen schon jetzt für bessere Luft. Die Steine, die zusammen mit Forschern des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie (IME) in Aachen entwickelt wurden, enthalten Titandioxid, das Stickoxide zu Nitratsalzen oxidieren lässt. „Der großflächige Einsatz dieser Pflastersteine auf Gehwegen, Parkplätzen und Straßen würde vielerorts genügen, um die Konzentration von Stickoxiden in der Luft unter den zulässigen Grenzwert zu drücken”, sagt FCN-Projektleiter Werner Tischer. Die Bundesanstalt für Straßenwesen testet entlang eines rund einen Kilometer langen Teilstücks der Autobahn A1 bei Osnabrück derzeit mit Titandioxid beschichtete Lärmschutzwände. Selbstreinigende Putze sowie Farben für Hausfassaden stehen bereits in Baumärkten. Und in verqualmten Räumen kämpfen TiO2-Partikel gegen Nikotin-Ablagerungen.
Keine Wunder zu erwarten
„Wunder darf man von dem Material aber auch unter optimalen Beleuchtungsbedingungen nicht erwarten”, sagt ISC-Experte Schottner. So dauert es Tage, bis dicke Tropfen von Baumharz, aber auch Honigtau oder Fliegenleichen auf Autofenstern vollständig abgebaut sind. Organische Verbindungen werden durch das Oxid zerkleinert und lassen sich mithilfe des Hydrophilie-Effekts beim Autowaschen leichter beseitigen. Mit TiO2 beschichtete Fensterscheiben sind bereits erhältlich, doch bis die Substanz auch bei Autoglas für besseren Durchblick sorgt, wird es noch dauern. „Die Beschichtungen sind bislang nicht langlebig genug und müssen erst widerstandsfähiger gegen den Gummiabrieb der Scheibenwischer werden”, nennt Michael Vergöhl, Leiter Optische und Elektrische Schichten am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) in Braunschweig und Sprecher der Forschungsallianz, die Probleme.
Beschichtungen auf Glas, Kunststoff, Metall und Mauerwerk gründlich zu prüfen, ist die Aufgabe von Iris Trick und ihren Mitarbeitern am IGB. „Wir tragen Bakterien, Algen oder Schimmelpilzsporen auf Testflächen auf, beleuchten diese, und nach einiger Zeit untersuchen wir, wie hoch der Anteil vermehrungsfähiger Mikroorganismen ist”, erklärt Trick. „Und wir analysieren mikroskopisch, was an Zelltrümmern von den Organismen übrig ist.” Problematisch sind Schimmelpilze, deren Myzele schon in das Gemäuer eingedrungen sind, sowie Algen, die selbst Licht absorbieren.
Entscheidend für einen künftigen Markterfolg ist die Frage, ob TiO2-haltige Beschichtungen umweltschädlich sind. Auch dem gehen die Forscher in der Fraunhofer-Allianz nach. Durch den unvollständigen Abbau organischer Verunreinigungen besteht die Gefahr, dass Aldehyde, Alkohole und Säuren entstehen, die nicht nur übel riechen, sondern auch gesundheitsschädlich sein können. Doch Jan Gunschera vom Fachbereich für Materialanalytik und Innenluftchemie am Braunschweiger Fraunhofer- Institut für Holzforschung (WKI) hält das Problem für beherrschbar. „Auf jeden Fall empfiehlt es sich, nur geprüfte Produkte in den Handel zu bringen. Dann spricht aus unserer Sicht nichts gegen deren Verwendung”, sagt er.
Auch Nüdling-Projektleiter Werner Tischer sieht bei den Pflastersteinen seines Unternehmens keinen Grund zur Besorgnis. Die Steine erzeugen zwar durch Umwandlung gasförmiger Stickoxide feste Nitrate, die durch Regen ausgewaschen werden. „Doch übers Jahr kommen durch Nitratauswaschung nur Konzentrationen zusammen, die weit unter der zulässigen Belastung des Grundwassers liegen.” Dass durch den Abrieb von beschichteten Betonplatten TiO2-Partikel in die Umwelt gelangen und diese belasten, hält Tischer für ausgeschlossen, da das Oxid durch Bindemittel, Zement und Sand fixiert ist und nur als Konglomerat freigesetzt werden kann.
Barriere schützt vor Bruch
Wichtig ist: Will man Kunststoffe mit Titandioxid beschichten, muss man dessen Selbstreinigungsmechanismus in Zaum halten. Er darf nicht die organischen Moleküle angreifen, aus denen der Kunststoff besteht. Sonst könnte man eine böse Überraschung erleben, wenn man sich etwa in einen beschichteten – und mürbe gewordenen – Gartenstuhl niederlässt. Schutz kann eine anorganische Zwischenschicht aus Siliziumoxid bieten, die als Barriere aufgebracht wird. Oder eine am ISC entwickelte Substanz namens Orcomer, in die das Oxid eingerührt wird: „Dieses Material lässt sich wie ein Nasslack verarbeiten. Es besteht aus einer anorganischen Komponente und einer organischen, die sich so gestalten lässt, dass die Photokatalyse ihr nichts anhaben kann”, erklärt Silicatforscher Karl-Heinz Haas. Einige Chemieunternehmen entwickeln derzeit selbstreinigende Klarlacke für Autos, die auf ähnlichen Verbindungen basieren.
Doch Titandioxid hat mehr zu bieten als Beschichtungen mit Selbstreinigungseffekt. So haben Forscher der Fraunhofer-Allianz einen wenige Nanometer dünnen wasserabweisenden Film über eine TiO2-Beschichtung gelegt – und damit ein Material-Sandwich hergestellt, das sich für Platten zum Drucken von Zeitungen oder Magazinen eignen könnte. „Prinzipiell funktioniert das bereits”, sagt Michael Vergöhl. „Bestrahlen wir das Schichtsystem durch eine Maske mit UV-Licht, so werden die belichteten Stellen stark wasseranziehend und dadurch langanhaltend mit wässriger Druckfarbe benetzbar.” Noch wird ein Kooperationspartner aus der Druckindustrie gesucht, damit aus dieser Laborentwicklung auch ein Produkt hervorgeht.
Winzige Spiegel im Autolack
Einen alternativen Ansatz für die Selbstreinigung verfolgt Matthias Wanner, Projektleiter vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart: „Wir experimentieren mit Substanzen in Klarlacken, die wie winzige Spiegel wirken”, berichtet er, „und wollen diese Materialien in Autolacke integrieren, um dadurch eine selbstreinigende Wirkung hervorzurufen.” Die Idee: Fällt Sonnenlicht auf eine lackierte und verunreinigte Fläche, erfolgt der Angriff auf den Schmutz gleich von zwei Seiten: von oben durch das Sonnenlicht und von unten durch das reflektierte Licht. Der Vorteil: Die Reflektoren sind vollständig eingebettet und damit besser vor mechanischem Abrieb geschützt als nanometerkleine Oxid-Partikel an der Oberfläche. Allein die Sonnenstrahlen sorgen dann für den Reinigungseffekt. ■
Klaus Wagner, Biologe und Technikjournalist in München, wäre ein dankbarer Abnehmer für Mobiliar, das man nicht zu reinigen braucht.
von Klaus Wagner
Magnetfeld oder Gel
Um eine Oberfläche mit Titandioxid (TiO2) zu beschichten, verwendet man meist das Puls-Magnetron-Sputtern oder das Sol-Gel-Verfahren. Beim Puls-Magnetron-Sputtern werden Argon-Atome durch ein Magnetfeld ionisiert, wodurch ein Plasma entsteht. Ein überlagertes elektrisches Feld beschleunigt dann positiv geladene Argon-Ionen auf ein sogenanntes Target, zum Beispiel aus gesintertem TiO2. Die schnellen Teilchen schlagen dort negativ geladene Oxid-Ionen heraus, die ein elektrisches Feld an die zu beschichtende Oberfläche leitet. Damit sich dort Kristalle bilden können, müssen die TiO2-Moleküle beweglich bleiben. Daher wird das Material erhitzt. Beim Sol-Gel-Verfahren sammelt sich TiO2 in einer Suspension zu nanoskaligen Partikeln an, die dann auf einem Substrat abgeschieden werden. Entweder enthält die flüssige Phase bereits kristallines Oxid oder dieses entsteht später durch Erwärmen der beschichteten Oberfläche.
Kompakt
· Autoscheiben befreien sich im Sonnenlicht von selbst von Schmutz und Fliegendreck.
· Zahnimplantante lassen sich vor Bakterienbefall schützen.
· Pflastersteine und Wände mit einem Film aus Titandioxid fischen Schadstoffe aus der Luft.
Mehr zum Thema
Internet
Fraunhofer-Allianz für Photokatalyse: www.photokatalyse.fraunhofer.de
