Wann Wassertropfen ihren Halt verlieren

NAGELPROBE FÜR DEN FAKIR

Wassertropfen perlen auf einem Lotosblatt ab ohne eine Spur zu hinterlassen. Bild vergrößern
Wassertropfen perlen auf einem Lotosblatt ab ohne eine Spur zu hinterlassen.

Warum der Lotos in Asien als Symbol für Reinheit gilt, demonstriert Periklis Papadopoulos, indem er ein Blatt nimmt und Wasser darauf tropfen lässt. Der junge Postdoktorand gehört zum Team um Doris Vollmer und Hans-Jürgen Butt vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, das den Selbstreinigungseffekt von Oberflächen erforscht. Der Tropfen verharrt kurz in der kleinen Vertiefung in der Blattmitte. Dann gleitet er wie ein kugeliges Miniluftkissenboot vom Blatt herunter, ohne eine nasse Spur zu hinterlassen. Schließlich landet er auf der Hose des griechischen Physikers. Der Jeansstoff bekommt einen nassen Fleck. Das Lotosblatt dagegen sieht so perfekt trocken aus, als sei es nie mit Wasser benetzt worden.

Mit dem „Lotoseffekt“ hält die Wasserpflanze nicht nur ihre schwimmenden Blätter trocken. Weil das abperlende Wasser den Dreck mit sich fortspült, bleibt die Pflanze sauber und kann Sonnenlicht viel effizienter einfangen. Diese Fähigkeit zur Selbstreinigung fasziniert Wissenschaftler, seit der deutsche Botaniker Wilhelm Barthlott in den 1970er Jahren erstmals Lotosblätter mit einem Elektronenmikroskop untersucht hat. Dabei zeigte sich, dass die Natur die geheimnisvoll schimmernden Blattoberflächen besonders raffiniert gestaltet hat. Es gibt sogar technische Anwendungen des Lotoseffekts, doch so richtig durchsetzen konnten sie sich noch nicht.

Vollmers Team hat nun dem lästigen Schmierfilm auf empfindlichen Oberflächen mit ganz neuen Ideen den Kampf angesagt. Zuverlässig selbstreinigende Autoscheiben, Fassadenglas und Solarzellen wären ein gewaltiger Fortschritt. Genau wie Lotosblätter würden Solarzellen so nicht mehr unter Lichtverlust durch Verschmutzung leiden. Um den allgegenwärtigen Schmier auf Glas zu bekämpfen, reicht es allerdings nicht aus, eine extrem Wasser abstoßende, sogenannte „superhydrophobe“ Oberfläche wie die des Lotosblatts zu erzeugen. Da der Schmier auch fettige Anteile enthält, muss die Oberfläche zusätzlich „fettscheu“ sein. Die Wissenschaftler nennen diesen auf Fettiges und Öliges erweiterten Lotoseffekt „superamphiphob“. Oberflächen, die ölige Substanzen spurlos abtropfen lassen können, sind jedoch eine wissenschaftliche Herausforderung – bis vor wenigen Jahren bezweifelten viele Forscher, dass sie überhaupt machbar sind. Erst seit Kurzem gelingen Materialien mit diesen Eigenschaften, auch Dank der Mainzer Forschung.

Grundsätzlich sind zwei Eigenschaften entscheidend, damit Flüssigkeiten von Materialien abperlen: Da ist zum einen die chemische Beschaffenheit der Oberfläche. Wassertropfen zum Beispiel bleiben an Glas erst einmal hängen, während sie von einer Teflonpfanne ziemlich leicht abtropfen. Auf Glas bildet ein Wassertropfen eine ziemlich große Kontaktfläche, auf Teflon dagegen nimmt er eine eher kugelige Gestalt an. Hier ist seine Kontaktfläche vergleichsweise klein. Die unterschiedliche Form macht deutlich, dass das Wasser lieber mit Glas als mit Teflon Kontakt aufnimmt. Und das hat einen guten Grund: Wasser ist nämlich „polar“, das heißt, seine Moleküle haben einen elektrischen Plus- und einen Minuspol, was man wissenschaftlich als Dipol bezeichnet. Eine polare Flüssigkeit wie Wasser bevorzugt den Kontakt zu einer ebenfalls polaren Oberfläche, weil seine Dipole dort Gegenpole finden. Diese gegenseitige elektrische Anziehung sorgt für die Kontaktkraft.

Glas besteht im Wesentlichen aus Siliziumdioxid und ist wesentlich polarer als etwa Teflon. Auf Teflon fühlen sich umgekehrt Öltröpfchen wohler, denn Öl ist unpolar. Das erkennt man daran, dass Öl in einer Teflonpfanne sehr flache Tropfen mit großer Kontaktfläche ausbildet. Für den Kontakt zwischen einer unpolaren Flüssigkeit und einer unpolaren Oberfläche wie Teflon sorgt eine andere Kraft, die nach dem niederländischen Physik-Nobelpreisträger Diderik van der Waals benannt ist. Diese Kraft entsteht durch winzige Verschiebungen von Ladungen in Elektronenhüllen von Molekülen, die selbst keine elektrischen Pole haben. So können die Moleküle sich trotzdem gegenseitig elektrisch anziehen. Die Van-der-Waals-Kraft ist zwar schwach, kommt aber praktisch überall vor. Sie lässt sogar Geckos an der Decke haften (siehe TECHMAX 8).

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