Lotus-Effekt

Geschichte

Die Lotusblume (Nelumbo nucifera) ist in mehreren asiatischen Religionen das Symbol der Reinheit. Der Hauptgrund dafür könnte die selbstreinigende Eigenschaft seiner Blätter sein. Auch nach dem Auftauchen aus Schlamm halten die Blätter beim Entfalten keinen Schmutz zurück. Diese Eigenschaft wurde von den beiden Botanikern Barthlott und Neinhuis von der Universität Bonn intensiv untersucht. 1975 entdeckten sie den Grund für diesen Selbstreinigungseffekt. Davor war die allgemeine Meinung, je glatter eine Oberfläche ist, desto weniger Schmutz und Wasser haften darauf. Mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM) entdeckten die beiden Wissenschaftler, dass die Oberfläche mancher Lotusblätter alles andere als glatt war. Es zeigte eine Kombination aus Nano- und Mikrostrukturen, die der Oberfläche eine raue Struktur verliehen. Die Erklärung für den Effekt liegt in zwei physikalischen Eigenschaften: Die wasserabweisenden Eigenschaften dieser Mikrostrukturen und die auf den Mikrostrukturen befindlichen Nanostrukturen bestehen aus wachsartigen Materialien, die schlecht benetzbar sind. Die Kombination aus der Chemie, den Ultrastrukturen und den Hafteigenschaften von Schmutz und Wasser an der Oberfläche haben Barthlott und Neinhuis den Lotus-Effekt genannt.

Die physikalische Grundlage

Um die Physik hinter dem Lotus-Effekt zu verstehen, muss man sich die Kräfte ansehen, die auf einen Flüssigkeitstropfen auf einer Oberfläche wirken.

Kräfte, die auf einen Flüssigkeitstropfen auf einer festen Oberfläche wirken

Die Form eines Tropfens auf einer Oberfläche wird durch drei Kräfte bestimmt, die an der Dreiphasenkontaktlinie, der Linie zwischen der festen und der flüssigen Phase (S,L), zwischen der festen und der Dampfphase (S ,V) und zwischen der flüssigen und der Dampfphase (L,V). Alle drei Kräfte zusammen definieren die gesamte Oberflächenspannung (Energie pro Flächeneinheit). Der Kontaktwinkel Y hängt direkt von den drei Oberflächenspannungen  ab: Die Rauheit einer Oberfläche verbessert die Benetzbarkeit für hydrophile Oberflächen (Y < 90°). Der Tropfen scheint in die hydrophile Oberfläche einzusinken. Bei hydrophoben Oberflächen (Y > 90°) nimmt die Benetzbarkeit ab. Es wird energetisch zu teuer, eine raue hydrophobe Oberfläche zu benetzen. Das Ergebnis ist eine erhöhte Wasserabweisung. Energetisch ist die beste Konfiguration für den Tropfen oben auf der Riffelung wie "ein Fakir auf einem Nagelbett".

Ein Tropfen auf einer hydrophilen rauen Oberfläche scheint in die Lücken einzusinken

Ein Tropfen auf einer rauen hydrophoben Oberfläche, der auf den Stacheln sitzt

Selbstreinigende Eigenschaften

Ein Tropfen auf einer geneigten superhydrophoben Oberfläche rutscht nicht ab; es rollt ab. Wenn der Tropfen über eine Verunreinigung rollt, wird der Partikel von der Oberfläche entfernt, wenn die Absorptionskraft des Partikels höher ist als die Haftreibungskraft zwischen dem Partikel und der Oberfläche. Normalerweise ist die zum Entfernen eines Partikels erforderliche Kraft aufgrund der minimierten Kontaktfläche zwischen dem Partikel und der Oberfläche sehr gering. Dadurch reinigt das Tröpfchen das Blatt, indem es von der Oberfläche abrollt.