Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.10.15


Lotuseffekt

Vortrag von Franziska Wilhelm im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", WS 14/15


Gliederung:


Einstieg. Winterzeit ist Grippe-Zeit. Ein gesundes Immunsystem ist daher sehr von Vorteil, um sich vor Krankheitserregern zu schützen. Das gilt allerdings nicht nur für uns Menschen, sondern auch für Tiere und Pflanzen. Pflanzen können aber im Gegensatz zu Menschen keine Hände waschen. Aber auch ihnen können vor allem Pilzsporen und Bakterien schaden. Pflanzen haben im Lauf der Evolution die verschiedensten Mechanismen entwickelt, sich gegen diese Pathogene zu schützen. Einer davon, der so genannte Lotus-Effekt, ist sogar so effektiv, dass er in vielen Teilen Asiens als Symbol der Reinheit verehrt wird. Warum dieser Effekt so besonders ist, werde ich nun im Folgenden erläutern.


1 Demonstrationen

  • Etwas Erde wird auf das Lotusblatt gegeben und dieses danach mit Wasser betropft

  • Blätter scheinen nicht nass zu werden, Wasser und Schmutz perlen einfach ab. Gleiches passiert auch mit z.B. Pilzsporen oder anderen Pathogenen 


Abb. 1: Wasser perlt auf Lotusblatt ab [2]

  • Wenn man über das Blatt streicht, fühlt es sich wachsartig und glatt an

  • Das klingt logisch, denn wenn man etwas abdichten will, kommt einem zuerst eine ganz dünne und glatte Wachsschicht in den Sinn.

Um diese Vermutung zu überprüfen, muss man sich anschauen, wie es physikalisch mit der Benetzung von Oberflächen aussieht.


2 Lotuseffekt auf physikalischer Ebene

Benetzbarkeit einer Oberfläche hängt von verschiedenen Faktoren ab: Young’sche Gleichung. Diese leitet sich ab von der Änderung der freien Enthalpie als Funktion der Temperatur, des Druckes und der Ober- und Grenzflächenspannung.

cos(θ) = (ys - yls) / y

  • cos(θ) = Benetzungswinkel

  • ys = Oberflächenenergie des zu benetzenden Festkörpers, also ein Maß für Energie, die aufgebracht werden muss, um neue Oberfläche eines Festkörpers zu erzeugen. Thermodynamisch am stabilsten ist Zustand von geringer Oberflächenenergie (OE). Das heißt, dass Oberflächen mit hoher OE lassen sich gut von Flüssigkeiten mit geringer OE benetzen lassen. Demnach kann die Oberflächenenergie beschrieben werden als Vektor zwischen Festkörper und Luft.

  • yls = Grenzflächenspannung zwischen Festkörper und Flüssigkeit, also die Kraft zwischen den beiden Phasen über molekulare Wechselwirkungen. Ein Beispiel hierfür wären zwei nicht-mischbare Flüssigkeiten wie Essig und Öl. Je schneller die beiden Phasen sich trennen, desto größer ist Grenzflächenspannung. Deswegen kann die Grenzflächenspannung als Vektor zwischen Festkörper und Flüssigkeit beschrieben werden.

  • y = Oberflächenspannung der Flüssigkeit, also die Eigenschaft der Ober- bzw. Grenzfläche, zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas (z.B. Luft). Flüssigkeiten haben das Bestreben, eine kleinstmögliche Oberfläche zu bilden, was der Form einer Kugel entspricht. Die Spannung kommt zustande über Kohäsion der Moleküle der Flüssigkeit. Die Moleküle wechselwirken untereinander, dabei besitzen Moleküle an der Oberfläche aber weniger Nachbarn als Moleküle in tieferen Schichten und haben demnach einen anderen Energiezustand. In tieferen Schichten kompensieren sich Wechselwirkungen vektoriell, an der Oberfläche nicht. Daher entsteht eine Zugspannung senkrecht zur Oberfläche. So lässt sich auch eben genannte Kugelbildung erklären.


Abb. 2: Abbildung zur Verdeutlichung der Young'schen Gleichung.

Über das hier gezeigte Kräfteparallelogramm lassen sich die Beziehungen in der Young'schen Gleichung ableiten, wobei:

  • θ = 0° bedeutet hydrophil bzw. eine vollständige Benetzung (das Wort „hydrophil“ ist hier auf die Benetzung zu beziehen);

  • θ = 180° wäre eine totale Abstoßung. Dies ist nicht möglich, weil die London-Kräfte immer als Wechselwirkung zwischen den Molekülen wirken.

  • θ >   90° bedeutet hydrophob bzw. teilweise benetzt;

  • θ > 160° bedeutet superhydrophob bzw. kaum bis gar nicht benetzt.

Allerdings ist zu beachten, dass die Young'sche Gleichung nur für glatte Oberflächen gilt, da sich bei rauen Oberflächen der Kontaktwinkel ändert.

Das Lotus-Blatt kann also keine glatte Wachsschicht haben, sonst würde es sich viel besser benetzen lassen. Deutlicher wird an einem weiteren Experiment, was eigentlich für den Lotuseffekt verantwortlich ist.


 3 Der Reinigungseffekt

Experiment Benetzung der Oberfläche eines Objektträgers mit Wasser
Material
  • Objektträger
  • Kerze
  • Streichhölzer
  • Pipette
Durchführung Der Objektträger wird über die Kerze gehalten, bis eine Hälfte der Oberfläche komplett mit Ruß bedeckt ist. Anschließend wird auf beide Seiten ein Tropfen Leitungswasser aus der Pipette gegeben.
Beobachtung Auf der mit Ruß bedeckten Seite perlt der Wassertropfen ab, die freie Oberfläche des Objektträgers benetzt sich mit Wasser.
Interpretation Die Wachsschicht auf dem Lotusblatt kann also nicht glatt sein, sondern muss eine gewisse Oberflächenstruktur besitzen!

Auf Oberfläche des Lotusblattes sitzen viele kleine Wachspapillen:


 Abb. 3: Wachspapillen eines Lotusblattes (wenige μm groß) [1]

Schmutzpartikel und Pilzsporen liegen auf Oberfläche auf, können aber aufgrund geringer Kontaktfläche nur leicht gebunden werden.


Abb. 4: Lotusblatt mit Wassertropfen und Schmutzpartikeln [1]

Wasser hat das Bestreben, Tröpfchen zu bilden, da so die kleinstmögliche Oberfläche entsteht. Je höher der Benetzungswinkel ist, desto eher wird diese Kugelform erreicht. Beim Lotusblatt beträgt der Benetzungswinkel etwa 170°, das heißt, das Wasser liegt tröpfchenförmig vor und kann Schmutz und Sporen gut aufnehmen und wegspülen.


Abschluss. Pflanzen mit Lotus-Effekt können sich also über bestimmte Oberflächenstrukturen selbst reinigen. Dabei werden Schmutz, gefährliche Pilzsporen und andere Pathogene abgewaschen und können der Pflanze nicht mehr schaden. Dies machen sie, indem sie winzige Wachskristalle auf ihre Oberfläche auflagern und somit den Kontaktwinkel so erhöhen, damit eine Benetzung mit Wasser- oder Schmutzpartikeln nicht mehr möglich ist. Die Berechnung dieses Kontaktwinkels, der Aussage darüber gibt, wie gut sich eine Oberfläche mit Flüssigkeit benetzen lässt, ist über die Young-Gleichung möglich. In ihr werden die Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Flüssigkeit betrachtet. Inzwischen gibt es viele Bereiche der modernen Technik, die versuchen, die diesen Effekt für sich nutzen, wie z.B. Autoscheiben, Brillengläser oder Fassadenfarbe (allerdings noch in der Entwicklung). Pflanzen mit Lotus-Effekt müssen sich also gar nicht die Hände waschen, um sich vor Pathogenen zu schützen, ihre Oberfläche reinigt sich mithilfe von Flüssigkeit/Wasser nämlich selbst. Das ist auch der Grund, weswegen die Lotus-Pflanze, von der der Effekt seinen Namen erhalten hat, in vielen Teilen Asiens als Symbol der Reinheit verehrt. Andere Pflanzen hingegen haben dafür andere Mechanismen entwickelt, zum Beispiel Wachs (anstatt in Form von Papillen aufgelagert) in die abschließende Zellschicht eingelagert. Es gibt also in der Natur für ein Problem (Pilzsporen und Pathogene), nicht nur eine Lösung, sondern viele verschiedene, von der sich auch die Industrie noch sehr viel abschauen kann.


Literatur:

  1. https://s10.lite.msu.edu/res/msu/botonl/b_online/lotus/bionik.htm (12.12.14)
  2. http://www.malerbetrieb-rauch.de/sites/default/files/imagecache/front-large/media/master/Umbauen_und_Renovieren/Wand_und_Farbe/Sto/
    Sto_Lotusblatt_Wassertropfen_Teaser_01.jpg  (12.12.14)
  3. http://www.unimeter.net/interim/Oberflaechenspannung/
    ZurOberflaechenspannung1.htm  (10.12.14)
  4. http://www.chemie.de/lexikon/Oberfl%C3%A4chenenergie.html (10.12.14)
  5. http://www.chemie.de/lexikon/Grenzfl%C3%A4chenspannung.html (10.12.14)
  6. http://www.chemie.de/lexikon/Oberfl%C3%A4chenspannung.html (10.12.14)
  7. http://www.uni-saarland.de/fak7/hartmann/de/teaching/lectures.htm (10.08.15)
  8. https://ratgeber.misterspex.de/lotuseffekt-ein-trick-aus-der-natur/ (12.12.14)
  9. http://www.plasma.de/de/plasma_wissenswertes/plasma_technik_3.html (12.12.14)

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 27.10.15