Das natürliche Vorbild

Grenzflächen

Die Wechselwirkung zwischen Festkörpern und ihrer Umgebung laufen nahezu ausschließlich über ihre Grenzschichten ab. Das gilt auch für biologische Systeme, also die Interaktion zwischen lebendem Organismus und seiner Umwelt. Biologische Oberflächen sind in Millionen Jahren der Evolution entstandene, optimierte, multifunktionale Systeme. Zu ihren Aufgaben gehören zum Beispiel die mechanische Stabilität, die Thermoregulation und die Kontrolle des Stoffaustausches (Wasserverlust, Gaswechsel)

Mikro- und nanostrukturierte pflanzliche Oberflächen
 

Ein Grundproblem der Pflanzen ist die ständige Verschmutzung der Blätter. Mitte der siebziger Jahre wurde von uns beobachtet, daß die Oberflächen bestimmter Pflanzen kaum verschmutzen und daß dieses Phänomen immer mit einer Mikrostrukturierung der Oberfläche, sowie aufgelagerten, wasserabstoßenden Wachskristallen im Nanometerbereich verbunden ist. Dabei kam die Vermutung auf, daß die wichtigste Funktion dieser Mikrostrukturierung ein Schutz vor dauerhafter Kontamination ist. Bei diesen Arbeiten wurde ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Chemie, Ultrastruktur, Benetzbarkeit und Verschmutzbarkeit von Oberflächen, der als „Lotus-Effekt“ bezeichnet wurde. Er kann nicht nur an der völlig unverschmutzbaren Lotusblume, sondern auch an vielen anderen Blättern ( wie Kohl, Schilf, Kapuzienerkresse, Akelei, Tulpe) sowie an Tieren (wie Libellen-und Schmetterlingsflügeln) leicht experimentell demonstriert werden.
 

Die Ein Flüssigkeitstropfen auf einer superhydrophoben Oberfläche: Der Tropfen berührt das Blatt nur an wenigen Punkten und zieht sich auf Grund der Oberflächenspannung zu einer Kugel zusammen. Bei geringsten Neigungswinkeln läuft er rückstandsfrei ab.

Benetzung von Oberflächen

Die stark verminderte Benetzbarkeit von Blättern stellt ein sehr auffälliges Phänomen dar, das schon seit langer Zeit bekannt ist. Die Theorie der Benetzung von Oberflächen wurde weitgehend zu Beginn des letzen Jahrhunderts erarbeitet, ist im Detail aber bis heute Gegenstand intensiver Forschung. Allgemein läßt sich
folgendes festhalten: Die Benetzung eines Stoffes mit Wasser und Luft als umgebendem Medium hängt vom Verhältnis der Grenzflächenspannungen Wasser/Luft, Festkörper/Wasser und Festkörper/Luft ab. Das Verhältnis der Spannungen bestimmt den Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf einer Oberfläche. Ein Kontaktwinkel von 0° bedeutet vollständige Benetzung, das heißt, ein Wassertropfen zerläuft zu einem monomolekularen Film. Ein Kontaktwinkel von 180° bedeutet vollkommene Unbenetzbarkeit, der Tropfen berührt die Oberfläche in nur einem Punkt. Stoffe mit einer hohen Grenzflächenspannung werden besser benetzt als solche mitniedriger Grenzflächenspannung, zum Beispiel Teflon. Das Verhalten von Wasser auf einer Oberfläche hängt in starkem Maß von der Rauhigkeit der Oberfläche ab. Ist eine glatte Oberfläche relativ gut benetzbar, dann wird die Benetzbarkeit durch Aufrauhung noch weiter verbessert. Ist eine glatte Oberfläche hydrophob und damit schlecht benetzbar, dann führt eine Aufrauhung zu Superhydrophobie, also extremer Wasserabstoßung. Im letzteren Fall wird die Luft zwischen den Mikrostrukturen und dem Wassertropfen eingeschlossen. Bringt man einen einzelnen Tropfen auf ein intaktes bewachstes Blatt auf, dann kugelt er sich ab und verhält sich so wie auf einer heißen Herdplatte. Durch die Rauhigkeit der Oberfläche wird die Kontaktfläche zwischen Blatt und Wassertropfen extrem minimiert, was ein scheinbar reibungsloses Abrollen der Tropfen ermöglicht.

Klebrige und hochviskose Flüssigkeiten

Bei den im Laufe der Evolution optimierten Oberflächen (zum Beispiel der Lotusblume) gehen die superhydrophoben Eigenschaften
soweit, daß z.B. Honig und selbst Klebstoffe,
wenn sie auf Wasserbasis hergestellt
werden (wie UHU) nicht haften bleiben,
sondernvollständig vom Blatt ablaufen. Selbst hochviskose Flüssikeiten wie Honig
laufen von der extrem antiadhäsiven
Oberfläche des Löffels rückstandsfrei ab.

Selbstreinigung von Oberflächen

Pflanzen sind von Natur aus unterschiedlichen Verschmutzungen ausgesetzt. Die meisten sind anorganischer Natur (verschiedene Stäube, Ruß), andere biologischen Ursprungs (Pilzsporen, Konidien, Honigtau, Algen). Darüber hinaus unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer Benetzbarkeit, also ob sie von einem Wassertropfen aufgenommen werden oder auf dessen Oberfläche schwimmen. Dies hat ein unterschiedliches Reinigungsverhalten zur Folge. Auf rauhen, unbenetzbaren Blättern ist nicht nur die Adhäsion von Wasser an die Oberfläche verringert, sondern auch die von Schmutz. Rollt ein Tropfen über die nur lose aufliegenden Schmutzpartikel hinweg, dann werden sie von Wasser benetzt und haften an der Tropfenoberfläche.Durch die sehr geringe Adhäsion an die Oberfläche werden die Partikel mitgerissen und vom Blatt entfernt.

Bei einer Kontamination der Blätter mit einem hydrophilen („wasserliebenden“) Schmutz wie Lehm, kann beobachtet werden, daß die Partikel in die Wassertopfen aufgenommen werden und nicht wieder aus ihnen herausgelangen können. Deutlich ist eine Laufspur sichtbar, wo die Tropfen die Partikel aufgenommen haben. Wird statt einer hydrophilen eine hydrophobe (wasserabweisende) Substanz zur Kontamination verwendet, dann ändert sich das Verhalten an der Oberfläche grundlegend. Wider allen Erwartungen entfernt ein aufgesetzter Wassertropfen die Partikel ebenfalls vom Blatt, obwohl die hydrophoben Partikel eher an der hydrophoben Oberfläche haften sollten als am Wassertropfen. Dabei werden die Partikel jedoch nicht ins Innere des Tropfens aufgenommen, sondern bedecken die Oberfläche des Tropfens gleichmäßig.

Es ist erstaunlich, daß eine hydrophobe Substanz durch einen Wassertropfen von einer hydrophoben Oberfläche entfernt wird. Bei Betrachtung der Verhältnisse auf der mikroskopischen Ebene wird der Mechanismus jedoch klarer. Die Partikel liegen nur auf den äußersten Spitzen der Wachskristalle auf. Daher ist auch ihre Kontaktfläche mit der Blattoberfläche extrem gering und damit verbunden auch die Adhäsionskräfte. Diese sind dabei größer zwischen dem Wassertropfen und dem Partikel als zwischen dem Partikel und der Wachsschicht. Die Partikel haften also an der Wasseroberfläche.

Der Lotus-Effekt ist kein zufälliges Begleitphänomen, sondern ist von der Pflanze „gewollt“. Neben den anorganischen Kontaminantien, die mehrere negative Auswirkungen auf das lebende Gewebe haben (zum Beispiel stärkere Erhitzung unter Sonneneinstrahlung, Säurewirkung, Verschluß von Spaltöffnungen), spielen die organischen in Form von Pilsporen, Bakterien oder Algen für die Pflanzen eine viel bedeutendere Rolle. Die wohl eleganteste Möglichkeit bietet jedoch der Lotus-Effekt. Dadurch wird verhindert, daß sich ein Pathogen auf der Oberfläche überhaupt erst festsetzt. Sporen werden bei jedem Regen abgewaschen, und für den Fall, daß es eine Zeitlang nicht regnet, fehlt ihnen das nötige Wasser für die Keimung.

Der wichtigste Grund für den Lotus-Effekt in der Natur ist der Schutz gegen krankmachende Keime, wie z. B. Bakterien und Pilzsporen. Diese werden regelmässig durch Regen von den Blättern entfernt.

Selbst ein fettliebender Farbstoff, der von der Polizei zum markieren von Geldscheinen verwendet wird, kann dank Lotus-Effekt mit ein wenig Wasser von der Blattoberfläche weggespült werden.

Technische Umsetzung

Da der Lotus-Effekt ausschließlich auf einer physikalisch-chemischen Grundlage beruht und nicht an ein lebendes System gebunden ist, kann eine selbstreinigende Oberfläche technisch hergestellt werden. Die Werkstoffe für derartige neue Beschichtungen stehen zur Verfügung. Bis heute wurde allerdings die scheinbar widersprüchliche Forderung nach einer rauhen Oberfläche als Grundlage einer
sauberen Oberfläche übersehen. Dennoch haben in den letzten Jahren Forschung und Industrie intensive Anstrengungen unternommen, um schmutzabweisende oder selbstreinigende Oberflächen zu entwickeln. Einige Werkstoffe erlauben es zudem auch, Beschichtungen herzustellen, die neben hydrophoben auch oleophobe Eigenschaften haben. Sie werden also weder von Wasser noch Öl benetzt und können somit als ultraphob bezeichnet werden. Mögliche Anwendungsgebiete liegen vor allem in der Beschichtung von Fassaden. Dächern, Textilien und in dem weiten Feld der Lackindustrie. Gelingt die Umsetzung, dann stellt der Lotus-Effekt sicherlich eines der eindrucksvollsten Beispiele für die Bionik der letzten Jahre dar.