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Biomimetik: Der Natur auf der Spur

Wenn die Lotosblume schmutzig wird, muss sie nur auf den nächsten Regen warten - der spült den Dreck einfach ab. Schön, wenn alles so einfach zu reinigen wäre. Aber wie lässt sich dieser Trick der Natur kopieren?
Die Lotosblume wird wegen ihrer Schönheit bewundert, aber nicht nur: Techniker beneiden sie vor allem um die faszinierende Fähigkeit ihrer Blätter, sich selbst zu reinigen, den nach ihr benannten Lotuseffekt. Auto nie mehr waschen, Fenster nie mehr putzen müssen – das wäre schön, der Weg dahin ist aber noch weit. Lei Jiang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking und seinem Team ist nun ein vielversprechender Schritt in die richtige Richtung gelungen.

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Wassertropfen auf neuem Kompositmaterial | Der Wassertropfen benetzt die Oberfläche des neuen Kompositmaterials aus Polystyrol nur sehr wenig.
Das Geheimnis der immer sauberen Lotosblätter liegt in ihrer speziellen, extrem wasserabweisenden ("superhydrophoben") Oberflächenstruktur: Wasser kann die Blütenblätter so gut wie gar nicht benetzen, es perlt einfach ab – und nimmt anhaftende Schmutzpartikel mit. Zauberwort ist der so genannte Kontaktwinkel, das ist der Winkel zwischen der Oberfläche des Blattes und des Wassertropfens an der Kontaktstelle: Je wasserabweisender die Oberfläche, desto größer der Kontaktwinkel. Das Lotos-Blatt hat eine extrem raue, nanostrukturierte Oberfläche. Der Wassertropfen liegt darauf wie auf einem Nagelbett, zwischen den Nanospitzen ist Luft – und Luft ist gar nicht benetzbar, was einem Kontaktwinkel von 180 Grad entspricht.

Die Wissenschaftler stellten nun einen dünnen künstlichen Film mit superhydrophoben Eigenschaften aus Polystyrol her, einem gängigen Kunststoff. Auch die gewählte elektrohydrodynamische Herstellmethode ist eine gängige Technik: Eine Lösung von Polystyrol in einem organischen Lösungsmittel wird durch eine Düse gepresst. Zwischen Düse und Kollektorplatte liegt eine hohe elektrische Spannung an, die den Flüssigkeitsstrom auflädt und in Richtung Kollektor beschleunigt.

Wie der Polystyrolfilm aussieht, der sich auf dem Kollektor sammelt, hängt in erster Linie von der Konzentration der Polystyrol-Lösung ab. Konzentrierte Lösungen sind so viskos, dass beim Ausdüsen Nanofasern entstehen. Der Nanofaser-Film zeigt aber "nur" Kontaktwinkel von 139 Grad. Wird dagegen eine verdünnte Lösung ausgedüst, tritt die Flüssigkeit nicht als Faser aus, sondern als Tröpfchen, die beim Verdunsten des Lösungsmittels zu porösen Mikropartikeln erstarren, deren Oberfläche mit Nanopapillen übersät ist. Ein Film aus diesen porösen Kügelchen ist extrem rau und erreicht Kontaktwinkel-Traumwerte von 162 Grad. Leider lösen sich aber die Kügelchen aus dem Film heraus.

Struktur des Komposit-MaterialsLaden...
Struktur des Komposit-Materials | Unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennt man die zu einem Netztwerk verwobenen Polystyrol-Kugeln (Maßstab: 1 Mikrometer).
So entstand die Idee eines Kompositmaterials, das die Vorteile beider Texturen vereint: Bei einer fein austarierten Polystyrol-Konzentration treten beim Ausdüsen sowohl Nanofasern als auch Mikropartikel auf. Im enstehenden Film sorgen dann die porösen Mikropartikel für den hohen Kontaktwinkel (160,4 Grad), die Nanofasern fixieren die Kügelchen in einem stabilen Netzwerk. Die einfache Methode scheint sich auch zur Herstellung superhydrophober Filme aus vielen anderen Materialien zu eignen.
24.08.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 24.08.2004

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