Nanotechnologie â eine technische Revolution? Den ... - OSTAK

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170 OSTAK gen die Schmutzpartikel nur auf wenigen Spitzen dieser Oberfläche, wodurch ihre Adhäsion damit sehr stark verringert wird, so dass sie an abrollenden Regentropfen haften bleiben und vollständig entfernt werden. Diese Noppenstrukturen konnten künstlich nachgebildet werden und sind bereits in einigen kommerziellen Produkten wie selbstreinigenden Dachziegeln, Fassadenfarben und auf der oberen Glasschicht von Solarmodulen erhältlich. Noch sind aber nicht alle Probleme bei mechanischer Belastbarkeit oder der chemischen und physikalischen Beständigkeit gelöst. Gecko versus Spider-Man Den Comic-Superhelden Spider-Man, im Deutschen besser bekannt als „die Spinne” – ab Mitte der 1960er-Jahre aus der Comicreihe Marvel Comics – kennen viele. Besonderen Popularitätszuwachs erreichten mehrere aufwändig inszenierte Kinofilme mit vielen visuellen Effekten ab 2002. Spider-Man konnte mit seinen Extremitäten – gespreizten Fingern und Füßen – sogar Glaswände empor klettern. Im Vergleich dazu sind Geckos viel älter: Es sind Echsen bis etwa 40 cm Länge, die die Erde seit etwa 50 Millionen Jahren be- Abb. 2 Hafthärchen am Fuß des Geckos mit Plättchen; ©eye of science, Reutlingen Abb. 3 Flügelstruktur des blauen Morphofalters Morpho peleides (Himmelsfalter) – die Raster- Elektronenmikroskopie liefert Bilder in schwarz-weiß. Obwohl die zu sehenden Nanostrukturen schon sehr beeindruckend sind, werden diese nachkoloriert, um Besonderheiten herauszuarbeiten. Diese Farbgebung soll die Bilder aber nicht verfälschen; ©eye of science, Reutlingen völkern und sich ihren Lebensräumen optimal angepasst haben. Eine Arteneinteilung bezieht sich auf deren Zehen, die sie dank einer besonderen Adhäsion kopfüber oder auch unter Glasscheiben zu laufen befähigen. Schon Aristoteles (350 v. Chr.) war fasziniert, wie diese Echsen an glatten Bäumen kopfüber laufen konnten, ohne sich an der Oberfläche zu verklammern. Die Natur ermöglicht solche raffinierten Haftsysteme in Nanogröße, so dass viele Lebewesen wie z. B. Fliegen, Spinnen und Geckos ihr Körpergewicht damit auch auf glatten Flächen, wie Glas, in jeder Lage halten können. Diese Tiere besitzen sehr feine Hafthärchen an ihren Füßen, die sich an dem Ende in hunderte winzigste flache Plättchen aufteilen. Diese Härchen sind beim Gecko ca. 0,1 mm (10 –4 m) lang, die Plättchen sind 200 nm (2 x 10 –6 m) breit und weisen eine Dicke bis 15 nm auf. Ähnlich unseren Haaren bestehen die Hafthaare auch bei Geckos aus Kreatin. Durch ihre feine Verästelung mit den Plättchen sind diese aber sehr biegsam und können sich an mikroskopisch feine Unebenheiten des Untergrunds in Nanogröße anpassen (Abb. 2). Ein Vergleich dieser Tiergruppen und der Strukturen ihrer Hafthärchen ergab, je größer und schwerer diese sind, desto feiner und dichter sind ihre Haftstrukturen ausgebildet. Es besteht ein lineares Verhältnis zwischen Härchendichte pro 1000 μm 2 zum Körpergewicht des Tieres in Gramm, das als „natürliches Haftgesetz“ angesehen werden kann. Bei der Bewegung eines schweren Tieres lösen sich zwar Härchen bei einem kaum messbaren Kraftaufwand, durch die deutlich größere Anzahl bleiben aber sehr viele in Kontakt zum Untergrund und lassen so das Tier nicht herunterfallen. Die hier wirkende Bindungskraft sind die Van-der-Waals-Kräfte elektrostatischer Natur, die wie Dipole wirken, wie zum Beispiel eine Wasserstoff-Brückenbindung zwischen zwei Wassermolekülen. Diese Brückenbindungen sind zwar sehr schwach, durch die etwa eine Milliarde Endkontakte entsteht trotzdem eine sehr große Haftungsstärke mit einem ausreichenden Sicherheitspotenzial. Zurück zum Beispiel mit Spider-Man: Dieser müsste linear hochgerechnet eine unvorstellbare Menge von ca. 1 x 10 6 Härchendichte pro 1000 μm 2 besitzen – im Ver- Osteologie 2/2011 © Schattauer 2011
171 gleich dazu weisen Geckos eine Härchendichte von ca. 5 x 10 3 pro 1000 μm 2 auf. Die Erforschung dieser Haftsysteme und Eigenschaften ist von großem wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Interesse, da die gewonnenen Erkenntnisse viele Anwendungen für technische Lösungen liefern können. Im Jahr 2010 wurde ein Patent für mehrwandige Kohlenstoff-Nanotubes in den USA erteilt. Die Forscher sagen, sein Haftvermögen sei viermal stärker als das natürliche Vorbild des Gecko: Es lasse sich wiederholt ablösen und erneut anhaften. a) Schillernde Farben können täuschen Einige Schmetterlinge fallen durch schillernde Farben ihrer Flügel auf – dabei sind diese vollkommen farblos! Für uns brillant aussehende Farben werden nur durch Lichtbrechung erzeugt, da parallel verlaufende, mikroskopisch kleine Kanäle und Rillen das Licht in Regenbogenfarben brechen, so dass für uns blaue (Morphofalter) oder andere Farben sichtbar werden. Flügelschuppen der Schmetterlinge bestehen aus einem Chitingerüst, das Rillen in mehreren Ebenen enthält. Die Strukturen sind in einer besonderen Perfektion nano- oder mikrostrukturiert. Das einfallende Licht wird von der obersten Reihe reflektiert, ein Teil von der darunterliegenden Reihe usw. Form und Größe des Abstandes der Rillen bestimmen die Farbe, mit welcher Wellenlänge das Licht reflektiert wird (Abb. 3). Die Flügelschuppen enthalten dabei selbst kein Farbpigment! Dies jeweils spezielle Vorgehen der Natur ist für diese Tiere wichtig. Einige vermeiden die Aufwärmung durch die Sonne dadurch, dass sie das Sonnenlicht durch Interferenz an den feinen Strukturen brechen, wiederum andere benötigen die Wärme der Sonnenstrahlen, um in der kalten Luft, in der sie leben, fliegen zu können: Es wirkt wie ein Wärmekollektor. Die Nanotechnologie hilft hier, die Energieprobleme dieser Tiere zu lösen. Diese Forschungen dienen u. a. dazu, auch unsere Energieprobleme mit der Technologie der Natur in den Griff zu bekommen. b) Abb. 4 Aufsicht und 3D-Innenansicht – Entwurf für ein Bürgerforum in Berlin; ©Christian Tschersich; Besichtigung in 3D-Video-Animation: http://c-s-t.net/thesis-project/ Nano-Strukturen – Vorbilder für Architekten Die Natur ist Lehrmeister auch für Architekten. Wesentliche Gebäude für die Öffentlichkeit erhalten meist ein besonderes Design. Es ist die Herausforderung für Architekten, neben der Zweckmäßigkeit für innen liegende Räume, dem Gebäude eine Abb. 5 Ausschnitt der Dachkonstruktion mit Öffnungen für die Transparenz und Lichteinfall; ©Christian Tschersich besondere „äußere Hülle“ zu geben. Diesen Herausforderungen begegnet man auch in Universitäten, wo neue Ideen in besondere Modellstrukturen umgesetzt werden können. Für die Mitte Berlins wurde ein zentrales Bürgerforum konzipiert und dann im Rahmen eines Hochbauentwurfs umgesetzt. Nach Analyse der soziopolitischen Situation in Deutschland und dem Wunsch für mehr basisdemokratische Mitbestimmung auf verschiedenen Ebenen sollte eine Begegnungsstätte mit Auditorium, Mediathek, Arbeitsräumen und Platz für Ausstellungen, einer Bibliothek und Arbeitsräumen sowie Restaurant und Café geplant werden. Gerade die Bionik, das Vorbild der Natur wurde von dem Architekten in besonderer Weise aufgegriffen. Die verschiedenen Gebäudeeinheiten wurden daher mit einer optisch durchlässigen „Hülle“ versehen, welche keine rigide Trennung zwischen Außenraum und Innenraum darstellt. Beim Betrachten erinnert die Struktur des Gebäudes – Tragestruktur und raumbildendes Element – an die Skelette von Radiolarien (Abb. 4). Das Besondere ist die Ausbildung der Fassade mit ihren unterschiedlich großen OSTAK © Schattauer 2011 Osteologie 2/2011
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Seite 5: 173 Abb. 8 Nadeln des Aphrocalliste

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