Lotus-Effekt
Lotus-Effekt
Lotus-Effekt: Abperlen von Schmutz bei selbstreinigenden mikrostrukturierten Oberflächen. Geringe Benetzbarkeit von Oberflächen
Als Lotuseffekt, auch Lotoseffekt, wird die geringe Benetzbarkeit einer Oberfläche bezeichnet, wie sie bei der Lotospflanze beobachtet werden kann. Wasser perlt in Tropfen ab und nimmt dabei auch alle Schmutzpartikel auf der Oberfläche mit. Verantwortlich dafür ist eine komplexe mikro- und nanoskopische Architektur der Oberfläche, die die Haftung von Schmutzpartikeln minimiert.
Auch andere Pflanzen, wie beispielsweise die Kapuzinerkresse (Tropaeolum), Schilfrohr (Phragmites), Weißkohl (Brassica oleracea var. capitata f. alba) oder die Akelei (Aquilegia) zeigen, genauso wie manche Tiere (viele Insektenflügel), diesen Effekt.
Die Selbstreinigungsfähigkeit wasserabweisender mikro-nanostrukturierter Oberflächen wurde in den 1970er Jahren entdeckt und seit Mitte der 1990er Jahre in biomimetisch-technische Produkte übertragen. Diese sind mit dem Markennamen Lotus-Effekt gekennzeichnet.
Funktionsprinzip
Wassertropfen haben, aufgrund ihrer hohen Oberflächenspannung, die Tendenz zur Minimierung ihrer Oberfläche und versuchen daher, eine Kugelform zu erreichen. Bei Kontakt mit einer Oberfläche wirken Adhäsionskräfte (Anhaftungskräfte an die Oberfläche), so dass es zur Benetzung derselben kommt. Abhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit kann es zu vollständiger (spreiter) oder unvollständiger Benetzung kommen.
Unterschied zwischen einer normalen und einer hydrophoben Glasoberfläche
Die Ursache der Selbstreinigung liegt in einer hydrophoben (wasserabweisenden) Doppelstruktur der Oberfläche. Dadurch wird die Kontaktfläche und damit die Adhäsionskraft zwischen Oberfläche und den auf ihr liegenden Partikeln und Wassertropfen so stark verringert, dass es zur Selbstreinigung kommt. Diese Doppelstruktur wird aus einer charakteristisch geformten Epidermis, deren äußerste Schicht Kutikula heißt, und sich auf ihr befindenden Wachsen gebildet. Die Epidermis der Lotospflanze bildet etwa 10 bis 20 Mikrometer hohe und 10 bis 15 Mikrometer voneinander entfernte Papillen, auf die die sogenannten epikutikularen Wachse aufgelagert sind. Diese aufgelagerten Wachse sind hydrophob und bilden den zweiten Teil der Doppelstruktur. Somit hat Wasser nicht mehr die Möglichkeit, in die Zwischenräume der Blattoberfläche zu gelangen, was zur Folge hat, dass sich die Kontaktfläche zwischen Wasser und Oberfläche drastisch verringert.
Die Hydrophobie von Oberflächen wird mit dem Kontaktwinkel bestimmt. Je höher der Kontaktwinkel, desto hydrophober die Oberfläche. Oberflächen mit einem Kontaktwinkel <90° werden als hydrophil, solche mit einem Kontaktwinkel >90° als hydrophob bezeichnet. Bei einigen Pflanzen können Kontaktwinkel von bis zu 160° (Superhydrophobie) erreicht werden. Das bedeutet, dass nur etwa 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche mit der Oberfläche der Pflanze in Kontakt stehen, diese also eine extrem geringe Benetzbarkeit besitzt. Durch die Doppelstruktur der Lotospflanze können ihre Blätter einen Kontaktwinkel von etwa 170° erreichen, wodurch ein Tropfen eine Auflagefläche von nur etwa 0,6 % hat. Die Adhäsion zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen ist dabei so gering, dass das Wasser leicht abperlen kann. Aufliegende Schmutzpartikel – die ebenfalls nur eine kleine Kontaktfläche besitzen – werden dadurch mitgeführt und weggespült. Selbst hydrophobe Schmutzpartikel werden von der Pflanzenoberfläche abgewaschen, weil deren Adhäsion zur Pflanzenoberfläche geringer ist als zum Wassertropfen.
Durch die zentrale Bedeutung der Oberflächenspannung wässriger Lösungen für die Minimierung der Kontaktfläche wird verständlich, dass die Selbstreinigung in dieser Form nicht bei stark benetzenden Lösungsmitteln auftreten kann, deshalb stellen solche Oberflächen keinen Schutz gegen Graffiti dar.
Die biologische Bedeutung des Lotuseffekts liegt für die Pflanze im Schutz vor einer Besiedlung durch Mikroorganismen, Krankheitserregern oder Keimen, beispielsweise Pilzsporen, oder vor Bewuchs mit Algen. In ähnlicher Weise gilt dies auch für Tiere wie Schmetterlinge, Libellen und andere Insekten: Mit ihren Beinen können sie nicht jede Stelle ihres Körpers zum Säubern erreichen, und umso vorteilhafter ist es, wenn Feuchte und Schmutz eigenständig abperlen. Eine weitere positive Wirkung der Selbstreinigung ist die Verhinderung von Verschmutzungen, die den Lichteinfall und damit die Fotosynthese vermindern und Spaltöffnungen verschließen könnten.