DE102005006014A1

DE102005006014A1 - Bauteil mit einer Beschichtung zur Verringerung der Benetzbarkeit der Oberfläche und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102005006014A1
Application number: DE102005006014A
Authority: DE
Inventors: Christian Hansen; Ursus Dr. Krüger; Manuela Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-10
Also published as: CN101119811B; MX2007009397A; CN101119811A; BRPI0607111A2; US20080118772A1; US7935428B2; EP1843864B1; WO2006082180A1; DK1843864T3; EP1843864A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, welches aus einem Substrat mit einer Beschichtung besteht, wobei die Beschichtung eine die Benetzbarkeit verringernde Oberfläche des Bauteils ausbildet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils. Die Beschichtung, die eine Oberfläche mit Erhebungen (19) und Vertiefungen (20) ausbildet, trägt zur Verringerung der Benetzbarkeit insbesondere durch einen an die Eigenschaften von Lotusblumen angelehnten Effekt bei. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unter der Beschichtung ein Metall mit antimikrobiellen Eigenschaften, insbesondere Silber, vorgesehen ist, welches durch die Beschichtung nicht vollständig bedeckt ist, d. h. dass Bereiche (21) in der Beschichtung freibleiben, in denen die Oberfläche des Bauteils durch das Metall mit antimikrobiellen Eigenschaften ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Beeinträchtigung des die Benetzbarkeit verringernden Effektes vermieden werden, wie er durch das Anlagern von Mikroorganismen auf der Oberfläche des Bauteils bewirkt wird. Mit der erfindungsgemäßen Oberfläche lassen sich beispielsweise Bauteile beschichten, die Umwelteinflüssen ausgesetzt sind (Fasenteile). Andere Einsatzgebiete können sich beispielsweise in Rohrleitungen der Wasserversorgung oder auch in Haushaltsgeräten finden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, aufweisend ein Substrat mit einer Beschichtung, welche im Vergleich zum unbeschichteten Substrat eine Oberfläche mit einer geringen Benetzbarkeit aufweist.

Oberflächen mit einer geringen Benetzbarkeit, wie eingangs angegeben, kommen z. B. als sogenannte Lotus-Effekt-Oberflächen zum Einsatz und sind beispielsweise in der DE 100 15 855 A1 beschrieben. Gemäß dieser Druckschrift zeichnen sich derartige Oberflächen durch eine Mikrostruktur aus, welche durch eine Schichtabscheidung aus Lösungen, jedoch auch durch eine elektrolytische Abscheidung gewonnen werden kann. Hierdurch wird ein an den Blättern der Lotusblume beobachteter Effekt nachgeahmt, demgemäß eine erzeugte Mikrostrukturierung der Oberfläche, welche zu diesem Zweck Erhebungen und Vertiefungen mit einem Radius von 5 bis 100 μm aufweisen muss, die Benetzbarkeit für Wasser sowie Schmutzpartikel herabsetzt. Hierdurch kann einer Verschmutzung der entsprechenden Oberfläche entgegengewirkt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauteil mit einer Beschichtung zur Verringerung der Benetzbarkeit der Oberfläche des Bauteils zur Verfügung zu stellen, welches neben einer geringen Benetzbarkeit der Oberfläche auch einen vergleichsweise guten Widerstand gegen eine Verschmutzung durch Mikroorganismen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich unter der Beschichtung ein Metall mit antimikrobiellen Eigenschaften befindet, welches durch die Beschichtung nicht vollständig bedeckt ist. Als Metall mit antimikrobiellen Eigenschaften (im Folgenden kurz als Metall bezeichnet) kann insbesondere Silber verwendet werden, dessen antimikrobielle Wirkung bekannt ist. Als alternative Metalle kommen aber beispielsweise auch Palladium oder Platin infrage.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass die antimikrobiellen Eigenschaften, also die Eigenschaften, die eine Vermehrung bzw. die Ansiedlung von Mikroorganismen oder Viren an der Oberfläche des Bauteils zu verhindern, auch dann zum Tragen kommen, wenn das Metall keine geschlossene Oberfläche des Bauteils bildet, sondern teilweise durch die Beschichtung zur Verringerung der Benetzbarkeit abgedeckt ist. Ein Bauteil mit einem solchen Schichtaufbau kann also vorteilhaft gleichzeitig eine geringe Benetzbarkeit der Oberfläche gewährleisten und antimikrobiell wirksam werden. Insbesondere werden hierdurch die Eigenschaften der geringen Benetzbarkeit der Oberfläche auch über einen längeren Zeitraum garantiert, da eine Verschmutzung der Oberfläche durch Mikroorganismen und dergleichen verhindert wird. Hierzu ist die antimikrobielle Wirkung der Oberfläche des Bauteils Voraussetzung. Mikroorganismen können nämlich eine filmartige Schicht auf Bauteilen bilden, die sehr stabil ist und die Oberflächeneigenschaften einer die Benetzung verringernde Beschichtung herabsetzen oder auch aufheben würden.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Metall eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der Beschichtung ausbildet. Das Metall kann somit als dünne Beschichtung aufgebracht werden, so dass es für die antimikrobielle Wirkung nicht notwendig ist, dass das gesamte Bauteil aus dem Metall besteht. Vielmehr ist die Werkstoffwahl des Metalls beliebig, wobei die Beschichtung beispielsweise elektrochemisch oder durch Bedampfen auf dem Substrat des Bauteils aufgebracht wird. Hierdurch ist der Materialverbrauch an dem Metall bei der Herstellung der antimikrobiellen Eigenschaften des Bauteils vorteilhaft gering, was zu wirtschaftlichen Lösungen führt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das Metall mit der antimikrobiellen Wirkung aus einer biaxial texturierten, epitaktischen Schicht. Diese Schichten können bevorzugt durch Beschichten auf einem ebenfalls biaxial texturierten Substrat gebildet werden, wobei sich diese Gefügetextur während der Beschichtung auf die Schicht aus dem Metall überträgt (hierzu beispielsweise J. C. Moore et al., Fabrication of cube-textured Ag-buffered Ni substrates by electroepitaxial deposition, Supercond. Sci. Technol. 14, 124-129, (2001)). Hierdurch können die Eigenschaften der Metallschicht vorteilhaft beeinflusst werden. Beispielsweise bietet die biaxial texturierte, epitaktische Metallschicht einen größeren Widerstand gegen einen Korrosionsangriff. Eine solche Schicht beispielsweise aus Silber weist also in der Spannungsreihe der Metalle ein im Vergleich zu den Literaturwerten von Silber erhöhtes Standardpotential gegenüber Wasserstoff (im Folgenden kurz Standardpotential) auf. Gleichzeitig kann auch die antimikrobielle Eigenschaft der Metallschicht beeinflusst werden, da diese antimikrobielle Wirkung aufgrund noch nicht restlos geklärter elektrochemischer Vorgänge auf der Schicht verursacht wird.

Eine weiterführende Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auch die Beschichtung auf dem Metall metallisch ist und eine biaxial texturierte, epitaktische Schicht auf der Schicht des antimikrobiell wirkenden Metalls bildet. Die Beschichtung ist vorzugsweise aus Kupfer. Allerdings können auch andere Metalle wie beispielsweise Eisen verwendet werden. Auch die biaxial texturierte, epitaktische Herstellung der Beschichtung kann vorteilhaft gezielt zum Einsatz kommen, um die elektrochemischen Eigenschaften der Beschichtung zu verändern. Für den Fall, dass die Beschichtung metallisch ist, ist bei der Herstellung des Bauteils das Einsatzgebiet zu berücksichtigen, in dem das Bauteil verwendet werden soll. Die antimikrobielle, teilweise freigelegte Metallschicht und die metallische Beschichtung bilden nämlich Lokalelemente aus, welche einen korrosiven Angriff des Bauteils begünstigen können. Um diesen zu verhindern, dürfen die Standardpotentiale der Beschichtung und der darunter liegenden Metallschicht nicht zu weit auseinander liegen. Gleichzeitig sind die zwischen der Beschichtung der antimikrobiellen Metallschicht auftretenden elektrochemischen Prozesse ein zu berücksichtigender Einflussfaktor für die antimikrobielle Wirkung der Metallschicht.

Die Auswahl der Metalle für die Beschichtung und die darunter liegende antimikrobielle Metallschicht hängt also vom Einsatzfall ab und muss z. B. durch entsprechende Versuche ermittelt werden. Hierbei stehen dem Fachmann als Einflussparameter die Auswahl geeigneter Metalle sowie die Möglichkeit zur Verfügung, die Beschichtung bzw. die darunter liegende Schicht biaxial texturiert, epitaktisch auszubilden.

Der die Benetzbarkeit der Oberfläche des Bauteils verringernde Effekt kann vorteilhaft verbessert werden, wenn die Ober fläche der Beschichtung eine den Lotuseffekt begünstigende Mikrostruktur aufweist. Dabei wird die Mikrostruktur mit ihren Erhebungen und Vertiefungen, wie eingangs bereits erwähnt, derart ausgebildet, dass die Wirkung von Blättern der Lotusblume nachgeahmt wird. Herstellungsverfahren für eine solche Mikrostruktur auf der Oberfläche sind in der eingangs erwähnten DE 100 15 855 A1 beschrieben.

Nach einem besonders vorteilhaften Verfahren kann die Mikrostruktur durch Pulse Plating hergestellt werden. Hierbei erhält man gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ein Bauteil, bei dem der Mikrostruktur eine durch Pulse Plating erzeugte Nanostruktur überlagert ist. Diese Nanostruktur bildet vorteilhaft auch feinere Erhebungen und Vertiefungen (beispielsweise Nanonadeln) aus, die eine Benetzbarkeit der Oberfläche des Bauteils weiter verringern.

Eine weitere Verbesserung für das Bauteil ergibt sich, wenn die Strukturelemente der Nanostruktur (beispielsweise die Nanonadeln) aus einem Metalloxid bestehen. Hierdurch ergibt sich eine weitere Möglichkeit, die elektrochemischen Eigenschaften der Strukturelemente der Nanostruktur zu beeinflussen, da die Metalloxide (beispielsweise Kupferoxid) im Allgemeinen ein höheres Standardpotential aufweisen. Hierbei kann beispielsweise eine Beschichtung aus Kupfer im Wesentlichen in Kupferoxid umgewandelt werden, wodurch sich das Standardelektrodenpotential an das der antimikrobiellen, teilweise freigelegten Schicht annähert.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Bauteil, welche im Vergleich zum unbeschichteten Substrat eine Oberfläche mit einer geringen Benetzbarkeit aufweist.

Ein derartiges Verfahren ist in der eingangs bereits erwähnten DE 100 15 855 A1 beschrieben. Beispielsweise kann die Beschichtung (Lotus-Effekt-Oberfläche) durch eine Schichtabscheidung aus Lösungen erfolgen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht demnach in der Angabe eines Verfahrens zum Erzeugen einer Beschichtung auf einem Bauteil mit einer die Benetzbarkeit verringernden Oberfläche, welche eine vergleichsweise lang anhaltende Wirkung hinsichtlich der verringerten Benetzbarkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die Beschichtung auf einem Metall mit antimikrobiellen Eigenschaften, insbesondere auf Silber derart hergestellt wird, dass das Metall durch die Beschichtung nicht vollständig bedeckt ist, wobei die Oberfläche durch elektrochemisches Pulse Plating mit einer die Benetzbarkeit verringernden Mikrostruktur der Oberfläche hergestellt wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass durch das Pulse Plating ein unregelmäßiges Schichtwachstum unterstützt wird, so dass sich eine Mikrostruktur ausbilden kann, die die Benetzbarkeit durch Ausbildung von Erhöhungen und Vertiefungen im Mikrometerbereich verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher vorteilhaft dazu geeignet, allein mittels elektrochemischer Verfahren eine schwer benetzbare Oberfläche auf einem Bauteil zu schaffen und gleichzeitig beispielsweise durch ein nicht vollständiges Beschichten des Metalls mit antimikrobiellen Eigenschaften eine Oberfläche zur Verfügung zu stellen, auf der eine Ansiedlung von Mikroorganismen oder Viren erschwert wird.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pulse Plating als Reverse Pulse Plating derart durchgeführt wird, dass mit der Mikrostruktur eine diese überlagernde, die Benetzbarkeit weiter verringernden Nanostruktur erzeugt wird. Die Pulslänge beim Verfahrensschritt zum Herstellen der Nanostruktur liegt vorteilhaft bei weniger als 500 ms. Damit können bei diesem Verfahrensschritt günstige Abscheidungsparameter an der zu erzeugenden Oberfläche eingestellt werden, damit sich die erzeugte Nanostruktur in ihren Abmessungen genügend von der erzeugten Mikrostruktur unterscheidet. Das Zusammenspiel zwischen Mikrostruktur und der der Mikrostruktur überlagerten Nanostruktur führt zu einer starken Verringerung der Benetzbarkeit der Oberfläche der elektrochemisch erzeugten Beschichtung.

Beim Reverse Pulse Plating werden die Strompulse durch jeweilige Umkehrung der Polarität des Abscheidestroms erzeugt, so dass vorteilhaft ein starkes zeitliches Gefälle bei den Ladungsverschiebungen an der Oberfläche erreicht werden kann. Vorteilhaft liegen die einzelnen Strompulse hinsichtlich ihrer Länge im Bereich zwischen 10 und 250 ms. Es hat sich gezeigt, dass sich bei den genannten Parametern die Nanostruktur der Oberfläche vorteilhaft besonders stark ausprägt. Dabei können die kathodischen Pulse mindestens die dreifache Länge der anodischen Pulse haben. Als kathodische Pulse werden diejenigen Pulse aufgefasst, bei der es zu einer Abscheidung auf der Oberfläche kommt, während die anodischen Pulse eine Auflösung der Oberfläche hervorrufen. Für das angegebene Verhältnis zwischen kathodischen und anodischen Pulsen hat es sich gezeigt, dass die nadelartigen Grundelemente der Nanostruktur vorteilhaft mit einer hohen Dichte auf der Mikrostruktur erzeugt werden, was den zu erzielenden Lotuseffekt begünstigt. Es besteht auch die Möglichkeit, beim Reverse Pulse Plating die katodischen Pulse mit einer höheren Stromdichte durchzuführen, als die anodischen Pulse. Auch durch diese Maßnahme wird die Abscheiderate der kathodischen Pulse im Vergleich zur Abtragungsrate der anodischen Pulse erhöht. Die Pulslänge zum Erzeugen einer Mikrostruktur in einem vorgelagerten Verfahrensschritt kann mindestens eine Sekunde betragen. Mit den Pulslängen im Sekundenbereich kann die geforderte Mikrostruktur der Oberfläche zeitgünstig auf elektrochemischem Wege hergestellt werden. Eine Mikrostruktur bildet sich gleichzeitig mit der Nanostruktur der Oberfläche aus, wenn die genannten Verfahrensparameter zur Erzeugung der Nanostruktur der Oberfläche eingestellt werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass nach der Erzeugung der Nanostruktur ein weiteres Reverse Pulse Plating durchgeführt wird, derart, dass die Nanostrukturelemente oxidiert werden. Das Reverse Pulse Plating zur Oxidation der Nanostrukturelemente kann bevorzugt bei folgenden Verfahrenparametern durchgeführt werden: Die genannte Pulsfolge für das Wachstum der Schicht mit kathodischem und anodischem Puls wird durch einen dritten potentialgesteuerten Puls ergänzt, wodurch der Oxidationsprozess der Nanostrukturelemente befordert wird. Dem Oxidationsprozess der Nanostrukturelemente kommt es entgegen, dass die Nanostrukturelemente aus Erhebungen mit bevorzugt nadelartiger Struktur bestehen, deren Spitzen einem elektrochemischen Angriff stärker ausgesetzt sind, als die Bereiche um die Nanostrukturelemente herum. Daher wird eine Oxidationreaktion bevorzugt an den Nanostrukturelementen erfolgen.

In einem weiteren Verfahrensschritt können nicht oxidierte Teile der Beschichtung dann unter Freilegung des Metalls elektrochemisch aufgelöst werden. Dies ist beispielsweise durch Anlegen eines Gleichspannungspotentials an die Beschichtung möglich, da die oxidierten Nanostrukturelemente ein höheres Standardpotential aufweisen als die nicht oxidierenden Teile der Beschichtung. Ist die Beschichtung beispielsweise aus Kupfer erzeugt worden, so wird sich dieses Kupfer schneller auflösen als die Nanostrukturelemente aus Kupferoxid. Sobald beispielsweise eine Silberschicht unter der Beschichtung freigelegt wird, so weist diese ebenfalls ein höheres Standardpotential auf, als Kupfer, so dass diese weitgehend erhalten bleibt. Hierdurch lässt sich vorteilhaft die Freilegung des Silbers steuern, wobei der dabei ablaufende elektrochemische Prozess stabil verläuft. Eine Nachbearbeitung der Oberfläche mit verringerter Benetzung und gleichzeitig antimikrobiellen Eigenschaften ist nicht notwendig.

Anstelle eines elektrochemischen Auflösens nicht oxidierter Teile der Beschichtung kann die Beschichtung alternativ auch beispielsweise unter Einsatz einer Maske aufgebracht werden, die Teile der unter der Beschichtung liegenden Schicht aus antimikrobiellen Metall abdeckt. Diese Maske, die beispielsweise aus Fotolack bestehen kann, kann mittels eines geeigneten Lösungsmittels aufgelöst werden, sobald die Beschichtung fertig gestellt worden ist. Auf diese Weise lässt sich ein Teil der Schicht aus dem antimikrobiellen Material wieder freilegen, um eine erfindungsgemäß antimikrobielle und gleichzeitig die Benetzbarkeit verringernde Oberfläche zu erzeugen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. In den einzelnen Figuren sind gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei diese nur insoweit mehrfach erläutert werden, wie sich Unterschiede zwischen den Figuren ergeben. Es zeigen
1 den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Oberfläche im schematischen Schnitt,
2 das Oberflächenprofil einer Lotus-Effekt-Oberfläche mit antimikrobiellen Eigenschaften als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Oberfläche im Schnitt und
3 und 4 perspektivische Darstellungen der Lotus-Effekt-Oberfläche mit antimikrobiellen Eigenschaften gemäß 2.
In 1 ist ein Bauteil 11 mit einer Oberfläche dargestellt, deren Benetzbarkeit vermindert ist. Die Oberfläche 12 lässt sich schematisch beschreiben durch eine Überlagerung einer Makrostruktur 12 (die z. B. auch durch die Bauteilgeometrie vorgegeben sein kann) mit einer Mikrostruktur 13 und einer Nanostruktur 14. Die Mikrostruktur erzeugt eine Welligkeit der Oberfläche. Die Mikrostruktur ist durch halbkugelförmige Erhebungen auf der welligen Makrostruktur 12 angedeutet. Die Nanostruktur 14 ist in 1 durch Noppen veranschaulicht, welche sich auf den halbkugelförmigen Erhebungen (Mikrostruktur) sowie teilweise in den zwischen den Erhebungen befindlichen Teilen der Makrostruktur 12, die die Vertiefungen der Mikrostruktur 13 bilden, befinden.
Die haftungsvermindernden Eigenschaften der durch die Überlagerung der Makrostruktur 12, der Mikrostruktur 13 und der Nanostruktur 14 gebildeten Oberfläche werden anhand eines Wassertropfens 15 deutlich, der auf der Oberfläche eine Wasserperle bildet. Durch die geringe Benetzbarkeit der Oberfläche einerseits und die Oberflächenspannung des Wassertropfens an dererseits bildet sich zwischen dem Wassertropfen 15 und der Oberfläche ein verhältnismäßig großer Kontaktwinkel γ aus, der definiert ist durch einen Winkelschenkel 16a, der parallel zur Oberfläche verläuft, und einen Winkelschenkel 16b, der eine Tangente an der Haut des Wassertropfens bildet, die durch den Rand der Kontaktfläche des Wassertropfens 15 mit der Oberfläche (bzw. genauer dem Winkelschenkel 16a) läuft. In 1 dargestellt ist ein Kontaktwinkel γ von mehr als 140°, so dass es sich bei der schematisch dargestellten Oberfläche um eine sog. superhydrophobe Oberfläche handelt.
Das Bauteil 11 gemäß 1 besteht aus Silber, wobei die Makrostruktur 12 einen Teil der Gesamtoberfläche des Bauteils 11 bildet. Dieser Teil der Oberfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass das Silber in direkten Kontakt mit der Umwelt treten kann, wobei die antimikrobiellen Eigenschaften des Silbers zum Tragen kommen. Hierdurch wird z. B. bewirkt, dass sich Mikroorganismen, die eine Verringerung des Kontaktwinkels γ bewirken würden sich nicht auf der Oberfläche festsetzen können, wodurch die geringe Benetzbarkeit der Oberfläche auch über einen längeren Einsatzzeitraum des Bauteiles 11 erhalten werden kann.
Im Rahmen von Versuchen kann mittels Reverse Pulse Plating eine Lotus-Effekt-Oberfläche durch Abscheidung von Kupfer auf einer durch Elektropolieren geglätteten Oberfläche aus Silber erzeugt werden. Hierbei können folgende Verfahrensparameter gewählt werden.

1. Erzeugung der Beschichtung mit der Mikrostruktur und der Nanostruktur in einem Verfahrensschritt durch Reverse Pulse Plating: Pulslänge (Reverse Pulse): 240 ms bei 10 A/dm² kathodisch, 40 ms bei 8 A/dm² anodisch Elektrolyt enthielt 50 g/l Cu, 20 g/l freies Cyanid, 5 g/l KOH (alternativ folgende Zusammensetzung: 72g/l CuCN, 125g/l KCN, 5g/l KOH)
2. Oxitation der überwiegend nadelförmigen Nanostrukturelemente in einem nachfolgenden Verfahrensschritt: Pulslänge (erweiterter Reverse Pulse): 240 ms bei 10 A/dm² kathodisch, 40 ms bei 8 A/dm² anodisch und 50 bis 100 ms potentialgesteuert mit u = +1,2V anodisch. Elektrolyt wie bei Schritt 1
3. Auflösen der Beschichtung in den nicht oxidierten Bereichen unter Freilegen des Silbers mit folgenden Parametern: Der Puls ist ein unipolarer – potentialgesteuerter Puls in anodischer Richtung: i(kath.) = 0 A/dm²; u(anod.) = +0,5V; t(kath.) = 200 – 250ms; t(anod.) = 50 – 100ms.

Die elektrochemisch erzeugte Oberfläche kann im Folgenden mittels eines SPM (Scanning Probe Microscope – auch AFM oder Atomic Force Microscope genannt) untersucht werden. Mit einem SPM lassen sich Oberflächenstrukturen bis in den Nanometerbereich hin bestimmen und darstellen. Ein Ausschnitt der mitells der oben genannten Versuchparameter erzeugbaren Oberfläche ist in 2 im Schnitt schematisch dargestellt, wobei das Profil überhöht ist (Schemazeichnung nach dem Vorbild von SPM-Untersuchungen).
Im Bezug auf eine Nulllinie 17 ist ein Wellenverlauf 18 in 2 eingetragen, der die Makrostruktur verdeutlicht, die der Oberflächenstruktur überlagert ist. Die Mikrostruktur 13 ist infolge der Überhöhung als eine Abfolge nadelartiger Er höhungen 19 und Vertiefungen 20 dargestellt. Weiterhin ist in bestimmten Bereichen die Nanostruktur 14 angedeutet worden, die sich aus einer engen Abfolge von Erhebungen und Vertiefungen ergibt, die im gemäß 2 dargestellten Maßstab nicht mehr aufzulösen sind und daher nur als Verdickung der Profillinie des Oberflächenprofils zu erkennen sind.
Nähere Details lassen sich der 3 entnehmen, die eine perspektivische Darstellung der der Kupferoberfläche darstellt. Es ist ein quadratisches Gebiet von 100 × 100 μm als Ausschnitt ausgewählt worden, wobei die die Mikrostruktur 13 bestimmenden, nadelartigen Erhöhungen 19 deutlich zu erkennen sind. Das sich ergebende Bild erinnert den Betrachter an einen „Nadelwald", wobei die Zwischenräume zwischen den „Nadelbäumen" (Erhöhungen 19) die Vertiefungen 20 bilden. Auch die Oberfläche gemäß 3 ist überhöht dargestellt, um die Erhöhungen 19 und die Vertiefungen 20 der Mikrostruktur 13 zu verdeutlichen.
Wie der 3 weiterhin zu entnehmen ist, bedeckt die Beschichtung, die aus den Erhöhungen 19 und Vertiefungen 20 besteht, nicht die gesamte Oberfläche des Substrates, d. h. an einigen Stellen liegt das Silber als Oberfläche des Bauteils 11 frei. Diese Bereiche 21 sind in der 3 durch mehr oder weniger „glatte" Ariale zu erkennen, die an dem „Nadelwald" „Lichtungen" bilden. In diesen Bereichen 21 kann die durch das Silber gebildete Oberfläche des Bauteils die für Silber typischen anitmikrobiellen Eigenschaften entwickeln.
Wie aus der perspektivischen Ansicht der Oberfläche gemäß 4, die eine Ausschnittsvergrößerung der Darstellung gemäß 3 darstellt, hervorgeht, ist der Mikrostruktur 13 weiterhin eine Nanostruktur 14 überlagert. In der weniger über höhten Darstellung gemäß 4 erscheinen die Erhöhungen 19 und Vertiefungen 20 eher wie eine Welligkeit der Oberfläche (die jedoch aufgrund des anderen Maßstabes nicht mit der Welligkeit gemäß 2 verwechselt werden darf). Dieser Welligkeit überlagert sind weiterhin kleinste Erhöhungen 19n und Vertiefungen 20n, welche die Nanostruktur der Oberfläche charakterisieren. Auch diese erinnern in ihrem Aufbau der bereits zu 3 erläuterten Ausprägung eines „Nadelwaldes" wobei deren geometrische Abmessungen um ungefähr zwei Größenordnungen geringer ausfallen, also bei dem in 3 gewählten Maßstab gar nicht zu erkennen ist.
Um die Größenverhältnisse zu verdeutlichen, sind in den 2 und 3 die Makrostruktur 12, die Mikrostruktur 13 und die Nanostruktur 14 jeweils mit einer Klammer gekennzeichnet. Die Klammer umfasst jeweils immer nur einen Ausschnitt der jeweiligen Struktur, der eine Erhebung und eine Vertiefung enthält, so dass die Klammern untereinander jeweils innerhalb einer Figur einen Vergleich der Größenordnungen der Strukturen im Verhältnis zueinander zulassen. Mit dem dargestellten Ausführungsbeispiel lassen sich für einen Wassertropfen Kontaktwinkel von 150° und mehr erreichen. Die superhydrophoben Eigenschaften der dargestellten Kupferschicht, die einen Lotus-Effekt bewirken, wird durch ein Zusammenspiel zumindest der Mikrostruktur 13 und der Nanostruktur 14 erreicht, wobei die Überlagerung einer Makrostruktur 12 die beobachteten Effekte noch verbessern kann. Durch Auswahl geeigneter Prozessparameter können derartige Lotus-Effekt-Oberflächen für unterschiedliche Schichtmaterialien und für Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Benetzungsverhalten erzeugt werden.

Claims

Bauteil, aufweisend ein Substrat (11) mit einer Beschichtung (19, 20), welche im Vergleich zum unbeschichteten Substrat eine Oberfläche mit einer geringen Benetzbarkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich unter der Beschichtung ein Metall mit antimikrobiellen Eigenschaften, insbesondere Silber, befindet, welches durch die Beschichtung nicht vollständig bedeckt ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat (11) und der Beschichtung ausbildet.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall aus einer biaxial texturierten, epitaktischen Schicht besteht.
Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Beschichtung (19, 20) metallisch ist, insbesondere aus Kupfer besteht, und eine biaxial texturierte, epitaktische Schicht bildet.
Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Beschichtung (19, 20) eine den Lotuseffekt begünstigende Mikrostruktur (13) aufweist.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrostruktur (13) eine durch Pulse Plating erzeugte Nanostruktur (14) überlagert ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der Nanostruktur (14) aus einem Matalloxid bestehen.
Verfahren zum Erzeugen einer Beschichtung (19, 20) auf einem Bauteil (11), welche im Vergleich zum unbeschichteten Substrat eine Oberfläche mit einer geringen Benetzbarkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (19, 20) auf einem Metall mit antimikrobiellen Eigenschaften, insbesondere Silber, derart hergestellt wird, dass das Metall durch die Beschichtung (19, 20) nicht vollständig bedeckt ist, wobei die Oberfläche durch elektrochemisches Pulse Plating mit einer die Benetzbarkeit verringernden Mikrostruktur (13) der Oberfläche hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulse Plating als Reverse Pulse Plating derart durchgeführt wird, dass mit der Mikrostruktur (13) eine diese überlagernde, die Benetzbarkeit weiter verringernde Nanostruktur (14) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Erzeugung der Nanostuktur (14) ein weiteres Reverse Pulse Plating durchgeführt wird, derart, dass die Nanostrukturelemente (19n) oxidiert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nicht oxidierte Teile der Beschichtung unter Freilegung (21) des Metalls elektrochemisch aufgelöst werden.