Bionik (3): Das Prinzip der Lotosblätter 20.09.2011, 08:08

Bionisches Prinzip Lotosblatt, Vorschaubild

Oberflächen so gestalten, dass sie alle Fremdkörper, auch Schmutz und Wasser abweisen - das ist eines der Ziele, die sich die Bionik gesetzt hat. Einer der wichtigen Ideengeber dabei war das Blatt der Lotospflanze. Wie reinigt sich dieses Blatt?

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Lotos-Effekt

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Kann man sich vorstellen, ein Kunststoffeimer voll klebrigen Teigs ließe sich rückstandslos ausleeren - etwa wie ein Glas Wasser, ohne dass man mit (umweltschädlichen) Lösungsmitteln nachhilft?

Noch ist es nicht so weit, aber die bionische Forschung ist auf dem besten Weg, Hilfen für die Herstellung eines solchen Eimers zu geben.
Immerhin gibt es inzwischen Keramikgefäße, die nicht verschmutzen. Bestimmte Fassadenfarben lassen Wasser und Schmutz von Hauswänden einfach abperlen. Es gibt ein Silikonwachs, das zum Beispiel auf Markisen oder Dachziegel aufgesprüht wird; sie sollen sich damit selbst reinigen.

Schon lange ist die Bionik einem Naturprinzip auf der Spur, auf das sie durch eine dem Buddhismus heilige Pflanze gestoßen ist. Die Blätter der Lotosblume sind so beschaffen, dass sie stets sauber bleiben, dass nichts, kein Schmutz, ja nicht einmal der kleinste Wassertropfen an ihnen festhaftet.
Könnte man auf der Oberfläche des Klebereimers Lotosblatteigenschaften nachahmen, wäre das Problem gelöst. Oberflächen reinigen wäre dann mit weniger Wasseraufwand als heute möglich, man bräuchte nur noch einen Bruchteil der Umwelt belastenden Tenside, Beschichtungen ließen sich problemlos abnehmen und vieles Andere mehr.

Der Schlüssel zur Lotosoberfläche

Erst seit es Elektronenmikroskope gibt - und das ist seit gut 50 Jahren der Fall - weiß man genau, wie die Oberfläche des Lotosblatts (und anderer Pflanzenblätter) beschaffen ist.
Über die Blatthaut, auch Epidermis, liest man in WIKIPEDIA:
»Als Epidermis (griech. epi = über, darauf; derma = Haut) bezeichnet man ein primäres Abschlussgewebe von Sprossachse und Blättern bei höheren Pflanzen. ... Sie gibt dem Blatt Halt und Form und hemmt die Verdunstung. Die Epidermis besteht meist nur aus einer Schicht von Zellen…; sie stabilisiert das Blatt und ist durch eine außen angelagerte Wachsschicht, die Cuticula, wasserundurchlässig.«
Das eigentliche Geheimnis des Lotosblatts ist die in dieser Beschreibung genannte Wachsschicht auf dem äußeren Gewebe. Ihre Eigenschaften werden seit bereits 30 Jahren intensiv erforscht. Die Wachsstruktur ist dafür verantwortlich, dass Wasser auf der Oberfläche des Lotosblatts fast vollkommene Kugeln bildet, die vom Blatt abperlen. Auf diese Weise reinigt sich das Lotosblatt selbst. Neben dem Wachs als solchem tragen dazu die Wachsstruktur und die Oberflächenspannung des Wassers bei.
Wie kommt es also, dass ein Wassertropfen das Lotosblatt nicht benetzt und stattdessen kugelrund bleibt?

Wasserkugeln schweben auf Wachskristallen

Lotoshaut mit Wassertropfen

Das Wachs bildet winzige, zum Teil nur 200 nm (nm = Nanometer; 1 nm = 1/1 000 000 000 Meter = 1/1 000 000 mm) große Kristalle. Diese ragen aus der Blattoberfläche heraus und halten das Wasser auf Abstand zum Blattgewebe. Die Pflanze hat diesen Mechanismus entwickelt, um Krankheiten abzuwehren. Das Blatt bleibt dadurch trocken und schädliche Mikroorganismen sind von der Feuchtigkeit, die sie für ihr Tun benötigen, abgeschnitten. Berühren sie aber den Tropfen, ertrinken sie sofort darin; das abperlende Wasser »entsorgt« sie bei nächster Gelegenheit.

Lotoseffekt unter dem mikroskop

Bild: William Thielicke: Computergrafik der Oberfläche des Lotosblatts (CC BY-SA 3.0)
Kugeln bilden sich wegen der Oberflächenspannung1) des Wassers. Wie die Bilder zeigen, liegen die Kugeln auf den Wachsspitzen auf, also auf extrem kleinen Festkörperflächen. Zwischen Blatt und Wasserkugel ist Luft. Damit besteht der allergrößte Teil der Wassernachbarschaft aus Luft, in der die Kugeln fast schweben.

Lotoshaut vergrößert

Was wir (noch) sehr bedauern: Nirgendwo erfährt man, wie der Lotos-Effekt zum Beispiel in Keramikschüsseln technisch verwirklicht wurde. 

Bei der Behandlung des Themas im Unterricht sollte man sich zwei einfache Versuche dazu nicht entgehen lassen:
Im Sommer zeigt man den Lotuseffekt an einem Blatt der Kapuzinerkresse. Wassertropfen auf dem Blatt kugeln sich ebenso zusammen wie auf einem Lotosblatt. Ansonsten kann man sich auch mit einem Blatt Papier behelfen, auf dem man ein Paar Quadratzentimeter Wachs eines Kerzenstummels verreibt. Der Wassertropfen nimmt auf der Schicht ganz deutlich eine kugelige Form an. Der Wassertropfen daneben, auf dem unbehandelten Papier, verläuft sofort und dringt ins Papier ein.

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1) Oberflächenspannung: Näheres dazu vermittelt der Beitrag »Versuch 15: Wenn Wasser einen Hügel bildet«