Bionik, Biomimetik - Naturwissenschaftliche Rundschau

Übersicht
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Abb. 8. Insekt als biologisches Vorbild für die Entwicklung dezentral
gesteuerter Laufmaschinen. – a. Die Gemeine Stabheuschrecke (Carausius
morosus). [Photo H. Scharstein]. – b. LAURON II, die zweite Generation
eines nach dem Vorbild der Stabheuschrecke konstruierten
Laufroboters. [Photo K. Luginsland, Landesmuseum für Technik und Arbeit,
Mannheim]
Selbstreinigende Oberflächen: Der Lotus-Effekt
Eines der bekanntesten Beispiele bionischer Forschung ist
die von dem Botaniker Wilhelm Barthlott entdeckte Selbstreinigungsfähigkeit
vieler Pflanzen. Mitte der 70er Jahre hatte
er festgestellt, dass die Oberflächen unbenetzbarer, also wasserabstoßender
Pflanzenblätter nur selten verschmutzt sind.
Diese Beobachtung ergab sich im Rahmen einer repräsentativen
Untersuchung mikroskopisch kleiner Oberflächenstrukturen
hinsichtlich ihrer Eignung für die systematische
Einteilung von Pflanzen [33]. Diese Eigenschaft zeigt sich bei
vielen Pflanzen, die mit feinen Wachsstrukturen bedeckt
sind, besonders eindrucksvoll jedoch bei der Indischen Lotosblume
(Nelumbo nucifera), dem Symbol der Reinheit in asiatischen
Religionen. Die strukturelle Grundlage des Selbstreinigungseffektes
ist die Kombination aus wasserabweisendem
(hydrophobem) Material (Pflanzenwachse) und einer
geeigneten Mikro- und/oder Nanostruktur [34]. Im Fall der
Lotospflanze handelt es sich bei der Strukturierung um eine
Kombination aus einer mikroskopisch fein genoppten Blattoberfläche,
deren Struktur durch die 20 bis 50 µm großen
Zellen der Epidermis bestimmt wird, und aus Wachskristallen
im Größenbereich von 0,5–3 µm (Abb. 9a,b). Auf den unbenetzbaren,
fein genoppten Blattoberflächen ziehen sich
die Wassertropfen in kugeliger Form zusammen und rollen
bei geringsten Erschütterungen und/oder kleinsten Neigungswinkeln
rückstandsfrei ab (Abb. 9c). Wegen der geringen
Kontaktfläche auf der rauhen Oberfläche bleiben auch
Schmutzpartikel schlecht auf dem Blatt haften. Rollt ein
Tropfen über die Oberfläche, so nimmt er dabei die
Schmutzpartikel auf und entfernt sie beim Ablaufen von der
Blattoberfläche (Abb. 9d). Auf glatten Oberflächen verlaufen
die Wassertropfen und „kriechen“ über die Schmutzpartikel
hinweg, ohne den Schmutz mitzunehmen. 1987 griff Wilhelm
Barthlott die Beobachtung wieder auf, und es gelang
ihm, zusammen mit seinem Mitarbeiter Christoph Neinhuis,
die physikalisch-chemische Basis des „Lotus-Effekts“ im
Detail zu entschlüsseln, seine Bedeutung für die Biologie zu
verstehen und eine nach diesem Prinzip funktionierende
künstliche Schmutz abweisende Oberfläche herzustellen [35,
36]. In Kooperation mit verschiedenen Industriepartnern
a c
Abb. 9. Lotus-Effekt. – a. Ein Blatt der
Lotosblume (Nelumbo nucifera) nach
Kontamination mit dem Farbstoff Sudan III.
Selbst dieser hartnäckige Farbstoff wird
durch einfaches Besprühen mit Wasser in
wenigen Sekunden vollständig vom Blatt
entfernt. – b. Rasterelektronenmikroskopische
Aufnahme der Blattoberfläche. Deutlich
erkennbar ist die doppelte Strukturierung aus
Epidermispapillen und feinen Wachskristallen.
– c. Aufgrund der wasserabweisenden
Chemie der Wachse und der
Rauhigkeit der Oberfläche kugelt sich ein
Wassertropfen vollständig ab und haftet
praktisch nicht am Blatt. – d. Funktionsweise
der Selbstreinigung durch den Lotus-Effekt:
Die glatte Oberfläche (links) wird von den
Wassertropfen benetzt, und die Schmutzpartikel
werden nur verschoben, wenn die Tropfen
b d
über sie hinwegkriechen. Auf der rauhen, fein
genoppten Oberfläche (rechts) haften
Schmutzpartikel schlecht, werden von den abperlenden Wassertropfen aufgenommen und von der Oberfläche abgewaschen. Aus [35]
184 Naturwissenschaftliche Rundschau | 57. Jahrgang, Heft 4, 2004