Reichelt Chemietechnik Magazin
Wasser perlt von der Fensterscheibe ab und nimmt den Schmutz gleich mit. Selbstreinigende Oberflächen an Fassaden, Solarmodulen, Lacken und Textilien haben ihr Vorbild im Blatt der Lotosblume. Wie der Lotuseffekt funktioniert, wo die Bionik ihn nutzt und warum Nanobeschichtungen umstritten sind, zeigt dieser Beitrag.
Was ist der Lotuseffekt? Einfach erklärt
Als Lotuseffekt bezeichnet man die Selbstreinigung extrem wasserabweisender Oberflächen. Wasser bleibt auf ihnen nicht als Film liegen, sondern zieht sich zu nahezu kugelrunden Tropfen zusammen. Diese rollen schon bei geringer Neigung ab. Staub-, Schmutz- und Rußpartikel haften dabei stärker am Tropfen als an der Unterlage und werden mit fortgetragen. Ein gewöhnlicher Regenschauer genügt, um die Fläche zu säubern, ohne Reinigungsmittel und ohne mechanische Bearbeitung.
Namensgeberin ist die Lotosblume, eine von Indien bis China und im Osten Nordamerikas beheimatete Wasserpflanze. Ihr Wurzelstock verankert sie in flachen, schlammigen Gewässern. Blüten und Blätter ragen nur wenig aus dem Wasser heraus. In dieser feucht-warmen Umgebung sind die Blätter dauerhaft Bakterien, Pilzen und Schwebstoffen ausgesetzt. Die Selbstreinigung ist die Antwort der Pflanze darauf. Anhaftungen, die das Blatt schädigen oder beschatten würden, trägt jeder Regen ab.
Die Lotosblume ist dabei nur das bekannteste Beispiel. Der berühmte „Lotuseffekt“ tritt auch bei heimischen Pflanzen wie Schilf und Kapuzinerkresse auf, ebenso bei Brokkoli, Blumenkohl und weiteren Kohlarten. Dort ist er allerdings meist deutlich schwächer ausgeprägt.
Wer hat den Lotuseffekt entdeckt?
Wissenschaftlich beschrieben wurde das Prinzip von dem deutschen Botaniker und Bioniker Wilhelm Barthlott (*1946). Gegen Ende der 1970er Jahre untersuchte er an der Universität Heidelberg pflanzliche Grenzflächenphänomene. Sein Werkzeug war die hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie (REM, engl. scanning electron microscopy, SEM). Damit lieferte er die Erklärung für die Selbstreinigung der Lotosblätter. Von ihm stammt auch die Bezeichnung „Lotuseffekt“ – auch als Lotoseffekt und Lotusblüteneffekt, im Englischen lotus effect, bekannt.
Als Bio-Ingenieur befasste sich Barthlott auch mit der Übertragung biologischer Phänomene in technische Lösungen. Seine Ergebnisse zum Lotuseffekt legten die Grundlage dafür, gewöhnliche Oberflächen mit selbstreinigenden Eigenschaften auszurüsten. Heute stecken solche Funktionsschichten unter anderem in Glasfassaden, Gewächshäusern, Photovoltaik-Modulen, Fahrzeuglacken und Textilien.
Wie funktioniert der Lotuseffekt?
Die Blattoberflächen der Lotosblume verfügen über sogenannte Papillen. Diese 10 bis 20 Mikrometer hohen Ausstülpungen der Epidermis stehen in einem Abstand von 10 bis 15 Mikrometern. Sie verleihen der Pflanze eine genoppte Struktur.
Zusätzlich produziert die Lotos-Pflanze rezente Wachse, also nanokristalline Lipide. Ihre hydrophoben Eigenschaften verringern die Adhäsion von Wasser auf der Blattoberfläche. Durch diese besondere Beschaffenheit ist die Kontaktfläche für Wasser stets sehr gering.
Trifft ein Tropfen Wasser auf eine übliche, mehr oder minder hydrophile Oberfläche, benetzt er eine entsprechend große Kontaktfläche. Der Kontaktwinkel zwischen dem Wassertropfen und seiner Kontaktfläche ist dabei kleiner als 90°, sodass er flach aufliegt. Ist die Kontaktfläche hingegen hydrophob, also wasserabweisend, steht der Tropfen auf der Blattoberfläche des Lotus. Der Kontaktwinkel ist in diesem Fall sehr viel größer als 90°. Der Kontakt zwischen Wassertropfen und Fläche fällt dementsprechend extrem klein aus.
Der Lotuseffekt ist ein Zusammenspiel von Oberflächenspannung des Wassers sowie der Oberflächenstruktur und der hydrophoben, natürlichen Wachsbeschichtung der Pflanzenblätter. Wasser ist ein Dipol und bildet Wasserstoffbrückenbindungen aus. Daraus ergibt sich ein starker Zusammenhalt der Wassermoleküle. Er lässt das Wasser seine Oberflächenspannung und damit seine Oberfläche minimieren. In einem schwerkraftlosen Raum ergäbe sich bei einer Auflagefläche von null ein perfekt kugelförmiger Wassertropfen. Denn die Kugel weist bei gegebenem Volumen die kleinste Oberfläche auf.
Im Fall der Lotosblume bzw. des Lotuseffekts spricht man von Superhydrophobie. Der Kontaktwinkel erreicht hier bis zu 170°. Nur noch etwa 0,6 % der Tropfenoberfläche stehen mit der Pflanzenoberfläche in Kontakt. Dadurch nehmen die Wassertropfen beinahe eine Kugelgestalt an.
Die extrem kleine Kontaktfläche bedeutet zugleich eine geringe Adhäsion, also eine geringe Anhaftung der Tropfen. So perlt das Wasser schon bei geringer Neigung vom Blatt ab und trägt gleichzeitig Staub- und Schmutzpartikel mit ab. Für die Materialwissenschaften war das ein wichtiger Erkenntnisgewinn. Der Lotuseffekt gewann damit weitreichende Bedeutung.
Anwendungen fernab der Biologie
Schmutzabweisende Materialoberflächen, die sich bei Regen von selbst reinigen, waren lange Zeit ein technisches Wunschziel. Der Reiz lag im Wirtschaftlichen, denn solche Oberflächen versprachen erhebliche Einsparungen. Gefragt waren sie für Glasfassaden moderner Gebäude, für Gewächshäuser und Wintergärten, ebenso für Fahrzeuge und deren Frontscheiben. Verwirklichen ließ sich davon lange nichts. Und auch im Privaten blieben Fensterscheiben, die nicht mehr ständig geputzt werden müssen, ein lang gehegter Wunsch.
Inzwischen sind solche Anwendungen nach dem Vorbild des Lotuseffekts Realität geworden. Davon profitieren auch moderne Photovoltaik-Anlagen, die durch Schmutzauflagen schnell an Leistung verlieren.
Möglich wird der technische Lotuseffekt durch Nanoteilchen, also Partikel zwischen einem und 100 Nanometern. Bringt man sie auf glatte Oberflächen wie Glasscheiben auf, entstehen dort der Natur nachempfundene Nanostrukturen. Fixiert werden solche Funktionsschichten entweder bereits im Fertigungsprozess oder nachträglich als wasserabweisende Formulierung. Als Material dient dabei häufig nanokristallines Titandioxid (TiO2), das auch außerhalb der Oberflächentechnik weit verbreitet ist. Es steckt als nicht vergilbendes Weißpigment in Schreib- und Druckpapier, in Anstrichfarben und in Kunststoffen. Hinzu kommen Aufheller in Kosmetika und Pharmazeutika, mineralische UV-Absorber in Sonnenschutzlotionen und die Lebensmittelfarbe E 171.
Wie sicher sind Nanobeschichtungen? Risiken für Mensch und Umwelt
Die physikalischen Eigenschaften von Nanomaterialien sind beeindruckend. Mit ihrer Hilfe werden Effekte, wie der Schutz von Oberflächen durch den Lotuseffekt, gezielt nachgeahmt. Durch die Schaffung künstlicher Nanostrukturen kann die Benetzbarkeit von Materialoberflächen verringert oder gar gänzlich aufgehoben werden. Wasser benetzt die Fläche dann nicht mehr, sondern tropft von ihr ab. Schmutzpartikel finden keinen festen Halt mehr und werden mit fortgetragen.
Dennoch ist die Ausrüstung von Oberflächen mit Nanopartikeln keineswegs unumstritten. Denn Nanomaterialien, die in die Umwelt freigesetzt werden, belasten zugleich auch uns selbst.
Ihre Freisetzung von hydrophobierten Funktionsflächen erfolgt hauptsächlich durch mechanischen Abrieb, aber auch durch Auswaschen. Stärker betroffen sind naturgemäß nachträglich beschichtete Oberflächen. Weniger betroffen sind Materialien, in deren Oberfläche die Nanostrukturen fest eingearbeitet sind. Augenscheinlich wird das bei der wasserabweisenden Beschichtung von Autoscheiben mit Nanoversiegelungs-Sets aus dem Handel. Die hiermit erzielbaren, wasser- und schmutzabweisenden Beschichtungen sind nicht dauerhaft, dafür aber potenzielle Quellen für Nanopartikel in der Umwelt.
Freigesetzte Nanopartikel können über die Atmung oder die Nahrungskette in den Organismus gelangen. Dort können sie dauerhafte gesundheitliche Schäden verursachen. Vor allem Nanopartikel in den Atemwegen stehen im Verdacht, das Lungenkrebsrisiko deutlich zu erhöhen. Diskutiert wird eine Größenordnung, die etwa mit der von Asbest vergleichbar ist. Aber auch Gewebeveränderungen und Entzündungsreaktionen im Magen-Darmtrakt durch Nanopartikel legen entsprechende Untersuchungen nahe. Sie können die Blutzirkulation in den Kapillargefäßen behindern und zu ernsthaften Durchblutungsstörungen führen, denen mit Medikamenten kaum beizukommen ist.
Das Nachahmen der Natur mit Nanobiotechnologie stellt Forscher vor eine doppelte Aufgabe. Sie müssen nicht nur die positiven Effekte studieren und bewerten, sondern auch die schädigenden Wirkungen. Denn jeder leichtfertige oder fahrlässige Umgang mit Nanomaterialien kann zur Gefahr für Mensch und Umwelt werden.
Bildquellen: Professor Dr. Wilhelm Barthlott | © Issempa – commons.wikimedia.org Computergrafik Lotosblatt | © William Thielicke / Willa~commonswiki – de.wikipedia.org Selbstreinigendes Glas | © René F. Appenzeller / Appi-TV – de.wikipedia.org Lotoseffekt | © H. Zell / Llez – de.wikipedia.org
