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Lotus-Effekt - schnell und preiswert

Von Rainer Scharf

Makellos rein sind die Blätter der asiatischen Lotuspflanze. Ihre raue, stark wasserabweisende Oberfläche reinigt sich bei jedem Regen von selbst. Jetzt haben türkische Wissenschaftler eine verblüffend einfache Methode gefunden, solche "superhydrophoben" Oberflächen aus einem gängigen Kunststoff herzustellen. Dies könnte zu zahlreichen neuen Anwendungen des Lotus-Effekts führen.

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Abb. 1: Das neue Verfahren macht aus einem wasserabweisenden Kunststoff, bei dem ein Wassertropfen mit einem Kontaktwinkel von etwa 104 Grad auf der Oberfläche liegt (A), eine superhydrophobe Beschichtung (Kontaktwinkel knapp 160 Grad, B). (Quelle: Erbil et al.)

Als die Botaniker Wilhelm Barthlott und Christoph Neinhuis vor gut zehn Jahren die mikroskopische Struktur von Blattoberflächen untersuchten, machten sie eine verblüffende Beobachtung: Glatte Blätter waren zumeist verschmutzt, raue hingegen fast immer makellos sauber. Regentropfen konnten die mikroskopisch raue und hydrophobe Oberfläche dieser Blätter nicht benetzen. Die Tropfen rollten ab und rissen dabei die auf dem Blatt liegenden Schmutzpartikel mit sich fort. Barthlott und Neinhuis haben den Lotus-Effekt intensiv untersucht und auch seine praktische Nutzung angeregt. Tatsächlich besteht ein enormer Bedarf an selbstreinigenden Beschichtungen etwa von Hausfassaden, Dächern und Fenstern.

Bisher hat man vor allem Kunststoffoberflächen mit wasserabweisenden Nanopartikeln beschichtet, um den Lotus-Effekt zu nutzen. Doch Husnu Yildirim Erbil und seine Kollegen von der Kocaeli Universität in Izmit haben ein einfacheres Verfahren entwickelt, das auf selbstorganisierter Strukturbildung beruht. Sie lösten körniges Polypropylen, ein gängiges wasserabweisendes Polymer, in dem Lösungsmittel Xylen auf. Anschließend gaben sie ein Fällungsmittel hinzu, in dem sich Polypropylen nicht auflösen kann.

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Abb. 2: Dieses feine Gespinst von Polymerkristallen hält Wassertropfen auf Distanz. (Quelle: Erbil et al.)

Einige Tropfen dieser Polymerlösung gaben die türkischen Chemiker auf eine Glasplatte, so dass das Lösungsmittel verdunsten konnte. Zurück blieb ein feines Gespinst von Polymerkristallen, dessen Struktur die Forscher treffend mit der eines Vogelnestes vergleichen. Beim Verdunsten der Flüssigkeit hatten sich eine polymerarme und eine polymerreiche Phase gebildet, aus der das Polypropylen auskristallisierte. Dabei bildeten sich mikrometergroße Hohlräume, aus denen das Lösungsmittel schließlich entwich. Das Polymergespinst ließ sich nicht nur auf Glas heranzüchten, sondern auch auf Aluminium, Stahl, Teflon und anderen Kunststoffen.

Die neuartige Polymerbeschichtung erwies sich als äußerst wasserabweisend. Wurden Wassertropfen auf die Schicht aufgebracht, so hatten sie fast die ideale Kugelgestalt. Ihr so genannter Kontaktwinkel betrug knapp 160 Grad. Den maximal möglichen Kontaktwinkel von 180 Grad hat eine Kugel, die die Unterlage nur in einem Punkt berührt. Für Wassertropfen auf Lotusblättern hatten Barthlott und Neinhuis einen Kontaktwinkel von 160 Grad gemessen.

Der Botaniker Zdenek Cerman, ein Mitarbeiter von Wilhelm Barthlott, hält das neue Verfahren für sehr viel versprechend. Es sei überraschend einfach, schnell und preiswert. Allerdings müsse es sich erst noch zeigen, ob sich die superhydrophoben Polymerschichten gegen die Beschichtungen mit Nanopartikeln durchsetzen können. Immerhin haben sich die Polymerschichten als sehr beständig gegen hohe Drücke und Temperaturen sowie mechanischen Abrieb erwiesen. Wie gut sie sich selbst reinigen können, muss indes noch genauer untersucht werden. Doch eines steht schon jetzt fest: Oberflächenbeschichtungen mit Lotus-Effekt, die dem Schmutz keine Chance geben, sind auf dem Vormarsch. 

Quelle
H. Y. Erbil et al., Transformation of a Simple Plastic into a Superhydrophobic Surface, Science 299, 1377 (2003).
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/299/5611/1377

Kontakt
Husnu Yildirim Erbil, E-Mail: yerbil@kou.edu.tr
A. Levent Demirel, E-Mail: ldemirel@ku.edu.tr

Weitere Informationen

Lotus-Effekt-Seiten des Botanischen Instituts der Uni Bonn:
http://www.botanik.uni-bonn.de/system/bionik_flash.html
http://www.botanik.uni-bonn.de/system/planta.htm

pro-physik.de v. 3.3.2003

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