Luftpolster auf Nano-Ebene

Unter Wasser lässt sich der in der Natur weitverbreitete Salvinia-Effekt, der dazu führt, dass isolierte Luftpolster gebildet werden, künstlich auf Oberflächen von Kohlenstoffnanoröhren realisieren. Diese Gebilde sind eigentlich tiefschwarz - und erscheinen dann silbern.  Foto: Arbeitskreis Jörg Schneider

Ein Schwimmfarn, der seine Blätter unter Wasser in ein Luftpolster hüllt, ist Namensgeber des Salvinia-Effekts. Einem Forscherteam aus Darmstadt und Bonn ist es gelungen,...

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DARMSTADT. Ein Schwimmfarn, der seine Blätter unter Wasser in ein Luftpolster hüllt, ist Namensgeber des Salvinia-Effekts. Einem Forscherteam aus Darmstadt und Bonn ist es gelungen, diesen Effekt künstlich herzustellen. Sie haben Kohlenstoffmaterialien so modifiziert, dass sie unter Wasser auf ihrer Oberfläche eine permanent eingeschlossene Luftschicht anlagern können.

Vertikale Anordnung, wie "Bäume im Wald"

Bereits seit 15 Jahren arbeitet das Team um Professor Jörg J. Schneider am Fachbereich Chemie der TU Darmstadt unter anderem mit Kohlenstoffnanoröhren. Das sind kleine röhrenförmige Gebilde, etwa 5000 mal dünner als ein menschliches Haar. Diese lassen die Chemiker in vertikaler Anordnung auf unterschiedlichen Oberflächen wachsen. "Wie die Bäume im Wald", erklärt Schneider. Dabei sind es vor allem Oberflächeneffekte, die die Chemiker ganz besonders interessieren. Sie fanden heraus, dass diese künstlich hergestellte Materialklasse den Salvinia-Effekt zeigt - und damit ein Paradebeispiel ist für die Übertragung von einem Naturphänomen auf die Technik. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Material Interfaces publiziert.

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In der Natur spielen superhydrophobe Oberflächen, die keinerlei Benetzbarkeit durch Wasser zeigen, eine wichtige Rolle. Sie erlauben es Pflanzen, sich vor Kontamination zu schützen, da deren Oberflächen für eine Besiedlung etwa durch schädliche Mikroorganismen weitestgehend ungeeignet sind. So ist der Lotuseffekt beispielsweise seit den 1970er Jahren bekannt. Damals machte der Bonner Botaniker und Bioniker Professor Wilhelm Barthlott - Mitautor der aktuellen Studie - die Entdeckung, dass Wassertropfen auf den Blättern der Lotusblume abperlen, ohne die Blätter zu benetzen. Die wachsartige und wasserabstoßende Oberfläche, die zudem noch eine besonders feinteilige Nano-Struktur aufweist, führt dazu, dass die kugeligen Tropfen vom Blatt abrollen und dabei alle daran anhaftenden Schmutzpartikel mitnehmen.

Barthlott hat weiterhin herausgefunden, dass der Schwimmfarn Salvinia molesta Blätter hat, die unter Wasser trocken bleiben, weil sie von einer dichten Luftschicht umgeben sind. Es sind beim Farn die Härchen auf der Blattoberseite, die in Form eines Schneebesens angeordnet sind. Sie sind besonders stark wasserabweisend, weil zusätzlich kleine Wachskristalle auf ihnen sitzen. Allerdings nicht auf der Blattspitze, dort ist die Oberfläche sogar wasseranziehend. Dadurch kann die Pflanze, wie bei einem Klettverschluss, die Lufthaut um die Blätter einschließen.

Diese isolierten Luftpolster nutzen Pflanzen - aber auch andere Lebewesen wie der Rückenschwimmer Notonecta - für den Gasaustausch oder die Reduktion des Reibungswiderstands bei der Fortbewegung unter Wasser. Zudem, so Schneider, entsteht durch die unter dem Wasser eingeschlossenen Luftpolster auf der Blattoberfläche eine Totalreflexion des auffallenden Lichts, die zu einem intensiven Silberglanz führt und möglicherweise im Falle des Notonecta auch mögliche Fressfeinde abschrecken kann.

Denkbar wäre, dass Materialien, die den Salvinia-Effekt auf künstliche Weise herbeiführen, eines Tages sogar ganze Schiffsrümpfe überziehen können. "So würden sie den Reibungswiderstand verringern", sagt Schneider. Allein dadurch, dass Meeresorganismen wie Seepocken sich nicht auf dem Rumpf ansiedeln können, weil dort nur Luftblasen sind, könnten die Frachtriesen energiesparend über die Meere schippern.

Die Materialien sind sehr stabil und hochflexibel

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Doch das ist bislang noch Zukunftsmusik. "Das geht auch mit unseren Materialien noch nicht", sagt der Chemiker. Allerdings sind die nanostrukturierten Kohlenstoffmaterialien aus seinem Labor mechanisch und thermisch sehr stabil, hochflexibel und sie trotzen harschen Umgebungsbedingungen. Schneider kann sich auch einige andere technische Anwendungen vorstellen, bei denen sie zum Einsatz kommen könnten. Etwa beim effektiven Wärmetransfer oder beim Studium von Vereisungs- und Frostvorgängen. Möglicherweise wäre auch eine Anwendung als optischer Sensor für die Detektion von Feuchtigkeitsspuren realistisch.

Die Darmstädter Chemiker konzentrieren sich derzeit intensiv auf die Grundlagenforschung. "Wir versuchen, grundlegende Fragen zu klären, um den Effekt noch besser zu verstehen und so weiter modifizieren zu können", erklärt Schneider.