Was ist der Lotuseffekt?
Den Lotuseffekt gibt es nicht nur bei der Lotuspflanze. Er heißt aber Lotuseffekt, weil er an der Lotuspflanze das erste mal entdeckt wurde. Entdecker war der deutsche Botaniker Wilhelm Barthlott. Er betrachtete in den 70er Jahren ein Lotusblatt erstmals unter einem Elektronenemikroskop und entdeckte dort eine besondere Struktur auf der Blattoberfläche. Später wurde diese besondere Struktur noch an vielen weiteren Pflanzen entdeckt, z.B. dem bekannten Rotkohl. Der Name des besonderen Abperleffektes aber blieb "Lotuseffekt".
Lotuseffekt oder Lotoseffekt?
Der Lotuseffekt wird auch Lotoseffekt genannt, weil die Lotusblume zu der Gattung der Lotospflanzen gehört.
Die Lotuspflanze hat sehr große Blätter, die stets sauber bleiben. Wasser und Schmutzpartikel perlen einfach ab. Deshalb sagt man zum Lotuseffekt auch Selbstreingungseffekt. Für die Lotuspflanze hat das den großen Vorteil, dass sie sich vor Krankheitserregern und Bakterien schützen kann und auf den großen Blättern aufliegender Staub und Schmutz kein Licht abschirmt, dass für die Photosynthese benötigt wird.
Wie funktioniert der Lotuseffekt?
Unter dem Mikroskop erkennt man verschiedene aufeinander aufbauende Schichten. Die Außenhaut der Blätter hat kleine Noppen, die 5-10 Mikrometer hoch und 10-15 Mikrometer voneinander entfernt sind (1 Mikrometer entspricht 1 Tausendstel Millimeter). Diese Noppen sind ihrerseits von einer feinen Nano-Struktur aus Wachskristallen mit Durchmessern von zirka 100 Nanometern überzogen. Sie bestehen aus einer Mischung verschiedenen Wasser abweisender (hydrophober) Pflanzenwachse. Auch abgestorbene, ja sogar getrocknete Blätter der Lotuspflanze zeigen den Lotuseffekt.
Wo benutzt man den Lotuseffekt im Alltag?
In den letzten 50 Jahren wurden die Erkenntnisse über den Lotuseffekt auf verschiedenste Alltagsanwendungen übertragen. Ziel dabei ist es, die Reinigung von Oberflächen im normalen Leben zu erleichtern.
Der Lotuseffekt ist dabei eines der bekanntesten Beispiele aus der Bionik, der Kombination aus Biologie und Technik, bei der versucht wird, Erkenntnisse aus der Natur in technische Neuerungen zu übertragen.
Der Lotuseffekt wird dabei mit winzigen Nanopartikeln auf der Oberfläche nachgebildet. Daurch erhalten normale Oberflächen im Alltag einen Wasser und Schmutz abweisenden Effekt. Mittlerweile gibt es sogenannte Nanoversiegelungen, die auf fast alle Oberflächen des täglichen Lebens aufgetragen werden können und dort eine Oberflächenveränderung bewirken, die dieselben Vorteile aufweist, wie das Lotusblatt.
Bekannte Beispiele, wie der Lotuseffekt im Alltag genutzt wird
- Fassadenfarbe
- Nanoversiegelung für mineralische Oberflächen wie Putz, Mauersteine, Dachziegel
- Nanoversiegelung für Auto, Boot, Wohnwagen
- Nanoversiegelung für Fenster und Wintergarten
- Nanoversiegelung für Textilien und Schuhe
- Nanoversiegelung für die Dusche gegen Kalkanhaftungen
- Nanoversiegelung Touchdisplays gegen Fettschmutz und Bakterien
- Nanoversiegelung für Brillen
- Nanobeschichtungen für die Medizintechnik
Der Lotuseffekt - Wie kommt es zu dieser außergewöhnlichen Eigenschaft der Lotuspflanze?
Unter dem Mikroskop erkennt man verschiedene aufeinander aufbauende Schichten. Die Außenhaut der Blätter hat kleine Noppen, die 5-10 Mikrometer hoch und 10-15 Mikrometer voneinander entfernt sind (1 Mikrometer entspricht 1 Tausendstel Millimeter). Diese Noppen sind ihrerseits von einer feinen Nano-Struktur aus Wachskristallen mit Durchmessern von zirka 100 Nanometern überzogen. Sie bestehen aus einer Mischung verschiedenen Wasser abweisender (hydrophober) Pflanzenwachse. Auch abgestorbene, ja sogar getrocknete Blätter der Lotuspflanze zeigen den Lotuseffekt.
Der Kontaktwinkel und der Abperleffekt (Lotuseffekt)
Entscheidend für das Abperlverhalten oder den Lotuseffekt ist vor allem der Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche des Untergrundes und der Oberfläche des Wassertropfens. Der Kontaktwinkel ist ein Maß für die Benetzbarkeit der Oberfläche mit Wasser.
Kontaktwinkel < 30° - hydrophile Oberflächen
Auf unbehandelten oder hydrophilen Oberflächen breitet sich der Wassertropfen weit aus, der Kontaktwinkel ist sehr klein. Auf diesen Oberflächen können die Wassertropfen nicht rollen, sondern nur gleiten.
Kontaktwinkel ca. 90° – hydrophobe Oberflächen
Der ideale Kontaktwinkel, damit eine Oberfläche gleichzeitig Wasser abweisend ist, aber noch mit Wasser zu reinigen ist.
Kontaktwinkel > 120° – superhydrophobe Oberflächen
Schwer benetzbare (superhydrophobe) Oberflächen zeichnen sich durch große Kontaktwinkel aus. Hier beträgt die tatsächliche Kontaktfläche nur zwei bis drei Prozent der vom Wassertropfen bedeckten Fläche. Der Tropfen liegt wie auf einem Nagelbrett aus Wachsstiften und berührt nur deren Spitzen. Dadurch werden die Anziehungskräfte zwischen dem Wasser und dem Untergrund verringert, die Wassertropfen nehmen eine kugelförmige Gestalt an. Bei geringstem Neigungswinkel rollen sie dann von der Oberfläche ab. Die Oberfläche wird dabei nicht nass.
Das Geheimnis von Nanotol ist ein Kontaktwinkel an der Grenze zur Hydrophobie!
Bei der Entwicklung von Nanotol ist exakt der Kontaktwinkel gewählt worden, der den Effekt der Selbstreinigung behält, es dem Nutzer aber ermöglicht, die Oberfläche mit Wasser zu reinigen. Mit Nanotol versiegelte Oberflächen sind deshalb Wasser abweisend, haben aber keinen extremen Abperleffekt. Das hat den großen Vorteil, daß diese Flächen ultraleicht zu reinigen sind, weil der Schmutz durch das Wasser gelöst und dann abgespült werden kann.
Nanoversiegelung mit Lotuseffekt
Den Unterschied im Abperlverhalten kann man im nebenstehenden Video sehen. So perlt Wasser auf einer Oberfläche ab, die z.B. mit der Nanoversiegelung Nanotol beschichtet worden ist.
Die Weiterentwicklung des Lotuseffektes
Bei der Überführung des Lotuseffektes in Alltagsanwendungen hat man schnell gemerkt, dass ein allzustarkes Abperlen von Wasser nicht immer von Vorteil ist. Da Schmutz mit Wasser (und Reinigungsmitteln) gelöst werden muss, ist es wichtig, das Wasser die Oberfläche noch benetzen kann.
Ein Maß für die Benetzbarkeit der Oberfläche mit Wasser ist der Kontaktwinkel.
Man spricht von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen.
Kontaktwinkel < 30° - hydrophile Oberflächen
Auf unbehandelten oder hydrophilen Oberflächen breitet sich der Wassertropfen weit aus, der Kontaktwinkel ist sehr klein. Auf diesen Oberflächen können die Wassertropfen nicht rollen, sondern nur gleiten.
Kontaktwinkel ca. 90° – hydrophobe Oberflächen
Der ideale Kontaktwinkel, damit eine Oberfläche gleichzeitig Wasser abweisend ist, aber noch mit Wasser zu reinigen ist.
Kontaktwinkel > 120° – superhydrophobe Oberflächen
Schwer benetzbare (superhydrophobe) Oberflächen zeichnen sich durch große Kontaktwinkel aus. Hier beträgt die tatsächliche Kontaktfläche nur zwei bis drei Prozent der vom Wassertropfen bedeckten Fläche. Der Tropfen liegt wie auf einem Nagelbrett aus Wachsstiften und berührt nur deren Spitzen. Dadurch werden die Anziehungskräfte zwischen dem Wasser und dem Untergrund verringert, die Wassertropfen nehmen eine kugelförmige Gestalt an. Bei geringstem Neigungswinkel rollen sie dann von der Oberfläche ab. Die Oberfläche wird dabei nicht nass.
Das Geheimnis von Nanotol ist ein Kontaktwinkel an der Grenze zur Hydrophobie!
Bei der Entwicklung von Nanotol ist exakt der Kontaktwinkel gewählt worden, der den Effekt der Selbstreinigung behält, es dem Nutzer aber ermöglicht, die Oberfläche mit Wasser zu reinigen. Mit Nanotol versiegelte Oberflächen sind deshalb Wasser abweisend, haben aber keinen extremen Abperleffekt. Das hat den großen Vorteil, daß diese Flächen ultraleicht zu reinigen sind, weil der Schmutz durch das Wasser gelöst und dann abgespült werden kann.
Die Weiterentwicklung des Lotuseffektes
Bei der Überführung des Lotuseffektes in Alltagsanwendungen hat man schnell gemerkt, dass ein allzustarkes Abperlen von Wasser nicht immer von Vorteil ist. Da Schmutz mit Wasser (und Reinigungsmitteln) gelöst werden muss, ist es wichtig, das Wasser die Oberfläche noch benetzen kann.
Ein Maß für die Benetzbarkeit der Oberfläche mit Wasser ist der Kontaktwinkel.
Man spricht von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen.
Kontaktwinkel < 30° - hydrophile Oberflächen
Auf unbehandelten oder hydrophilen Oberflächen breitet sich der Wassertropfen weit aus, der Kontaktwinkel ist sehr klein. Auf diesen Oberflächen können die Wassertropfen nicht rollen, sondern nur gleiten.
Kontaktwinkel ca. 90° – hydrophobe Oberflächen
Der ideale Kontaktwinkel, damit eine Oberfläche gleichzeitig Wasser abweisend ist, aber noch mit Wasser zu reinigen ist.
Kontaktwinkel > 120° – superhydrophobe Oberflächen
Schwer benetzbare (superhydrophobe) Oberflächen zeichnen sich durch große Kontaktwinkel aus. Hier beträgt die tatsächliche Kontaktfläche nur zwei bis drei Prozent der vom Wassertropfen bedeckten Fläche. Der Tropfen liegt wie auf einem Nagelbrett aus Wachsstiften und berührt nur deren Spitzen. Dadurch werden die Anziehungskräfte zwischen dem Wasser und dem Untergrund verringert, die Wassertropfen nehmen eine kugelförmige Gestalt an. Bei geringstem Neigungswinkel rollen sie dann von der Oberfläche ab. Die Oberfläche wird dabei nicht nass.
Das Geheimnis von Nanotol ist ein Kontaktwinkel an der Grenze zur Hydrophobie!
Bei der Entwicklung von Nanotol ist exakt der Kontaktwinkel gewählt worden, der den Effekt der Selbstreinigung behält, es dem Nutzer aber ermöglicht, die Oberfläche mit Wasser zu reinigen. Mit Nanotol versiegelte Oberflächen sind deshalb Wasser abweisend, haben aber keinen extremen Abperleffekt. Das hat den großen Vorteil, daß diese Flächen ultraleicht zu reinigen sind, weil der Schmutz durch das Wasser gelöst und dann abgespült werden kann.