Wasserabweisende Sprays für Kleidung versuchen den Effekt von Lotusblättern zu imitieren. Solche Beschichtungen nutzen sich aber schnell ab, sie verpuffen bei höhreren Temperaturen und gegen Öl sind sie sowieso nutzlos. Forscher der Universität Kalifornien haben nun eine 3D-Struktur entworfen und getestet, die verschiedenste Oberflächen zum flüssigkeitsabweisenden Supermaterial macht.
Wer ganz genau hinschaut, Elektronenmikroskop-genau, erkennt auf der Oberfläche von Lotusblättern kleine Hügel und Täler, sogenannte Papillen. Die äußerste Hautschicht der Blätter transformiert sich zu diesen Hügeln und verringert so die Kontaktfläche zwischen Blatt und Regentropfen. Die Kontaktfläche ist entscheidend dafür, wie stark das Wasser von den Molekülen des Lotus-Blattes angezogen wird. Die Folge: Die Flüssigkeit kann nicht mehr haften bleiben.
Die Spannkraft der Wasserhaut führt dazu, dass sich das Wasser zu Tropfen zusammenzieht, die vom Blatt herunterkullern. Auf ihrem Weg nehmen sie den Matsch mit, der sonst dafür sorgen würde, dass weniger Sonnenlicht auf das Lotusblatt trifft.
Die 10-15 Mikrometer großen Papillen des Lotus-Blatts
Wie stark eine Oberfläche Flüssigkeit anzieht, wird dabei üblicherweise durch den Winkel beschrieben, den die Haut der Flüssigkeit mit der Oberfläche bildet: Je grösser dieser sogenannte Kontakt-Winkel, desto kleiner ist die Kontaktfläche und desto besser können sich Tropfen bilden, die dann durch die Schwerkraft von der Oberfläche heruntergezogen werden.
Auch die chemischen Eigenschaften einer Oberfläche tragen dazu bei, wie wasserabweisend sie ist. Im Fall der Lotusblätter etwa ist die gesamte Oberfläche mit einer Schicht aus wasserabweisendem Wachs überzogen. Diese Doppelstrategie, Oberflächenstruktur und Beschichtung, macht die Oberfläche des Lotusblats extrem wasserabweisend.
Der Winkel zwischen Flüssigkeitshaut und Blattoberfläche bestimmt die Anziehung zwischen den beiden.
Der Lotus-Effekt ist schon recht beeindruckend, doch es gibt Flüssigkeiten, die so nass sind, dass nicht mal der Lotus sie abschütteln kann. Dazu gehören zum Beipsiel sogenannte fluorierte Lösemittel. Das Fluor in diesen Lösemitteln reduziert die Oberflächenspannung der Flüssigkeit so sehr, dass sich keine Tropfen bilden können, auf keinem bekannten Material. Würde man es aber schaffen, Materialien sogar gegenüber diesen Lösemitteln abweisend zu machen, würden sie auch alle anderen bekannten Flüssigkeiten abweisen. Forscher an der Universität von Los Angeles haben genau das nun geschafft. Sie haben ein 3D-Struktur geschaffen, die weiterentwickelt, was die Evolution des Lotus begonnen hat.
Aus rein mathematik-theoretischen Überlegungen leiteten Tingy „Leo“ Liu und Chang-Jin „CJ“ Kim die Form von optimalen Papillen ab, um den Winkel zwischen Wassertropfen und Oberfläche zu minimieren, also, die Kontaktfläche möglichst stark zu schrumpfen. Das Resultat sieht aus wie ein rechteckiger Regenschirm, 20 Mikrometer breit und etwa 80 Mikrometer hoch.
Diese künstlichen Strukturen ätzten die Forscher in eine Silizium-Dioxid-Platte. Dann gossen Kim und Liu alle ihnen bekannten supernassen Flüssigkeiten darüber, auch solche, die noch nie in stabiler Tropfenform auf einer Oberfläche beobachtet wurden. Silizium-Dioxid ist selbst nicht sehr flüssigkeitsabweisend.
Deshalb verblüffte das Ergebnis ihrer Arbeit umso mehr: Alle Flüssigkeiten formten Tropfen, die von der beschirmten Oberfläche abprallten, als wären sie Gummibälle.
Entscheidend für diesen Effekt sei, dass die Scheiben oben auf den Papillen wie ein umgedrehter Topf geformt seien, schreiben die Autoren: mit extrem niedrigen Seitenwänden, nur sechs Mikormeter hoch. An dieser Kante bleibe einfach jede Flüssigkeit hängen, so dass der Raum zwischen den Papillen mit Luft gefüllt bleibt. Deshalb können sich Tröpfchen bilden. Und weil diese nur auf der sehr kleinen Fläche der Scheiben liegen, werden sie nicht von der Oberfläche festgehalten.
Die beiden Autoren nennen ihre Erfindung ein „superomniphobes“ Material. Potentiell öffnet ihre Erfindung den Weg zu extrem flüssigkeitsbeständigen, selbstreinigenden und robusten Produkten aus verschiedenstem Material. Denn der Effekt funktioniert ganz ohne Beschichtung. Obendrein hält schon die Silizium-Dioxid-Platte mit den Schirmen Temperaturen bis zu 1000
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