Selbstreinigung von Oberflächen - der Lotus-Effekt

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).

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.

Der Grad der Benetzung eines Festkörpers mit Wasser lässt sich mit Hilfe des Kontaktwinkels beschreiben: Dieser wird bestimmt durch die Verhältnisse der Grenzflächenspannungen der Phasen und kann über die Young`s Gleichung errechnet werden..

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 mit niedriger 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.

Oberfläche mit Lotus-Effect®		Glatte hydrophobe Oberfläche ("easy to clean")
Vollständige Reinigung durch einen Wassertropfen.		Schmutz wird durch Wasser nur verlagert.

Weitere Information unter: http://www.nees.uni-bonn.de/lotus/de/lotus_effect_html.html