Fog Collection on Plant surfaces and Biomimetic Applications
‘The United Nations World Water Development Report 4’reported the scarcity of fresh water for about one billion people in the world; mostly in dry regions. However, certain arid regions, with a very little access to fresh water, e.g., fog desert Namib, Atacama etc. are characterized by intense fog.It can be an alternative sustainable fresh water resource for the people living in this climatic condition. Insufficient efficiency of existing technologies, e.g., fog collecting meshes,demands the innovation of new technology.Inspired by efficient fog collection mechanisms of certain plant species the aim can be achieved (Ju et al 2012; Roth-Nebelsick et al 2012; Malik et al 2014). Based on the analyses of about 20,000 plant species by our working group, in contrast to superhydrophobic plant surfaces, we concentrate on some model superhydrophilic and hierarchically structured plant species, prone to collect fog efficiently.Thus, we try to understand their micro and nanostructures, and surface wettability behind their fog collection mechanisms. Our research aims to develop superior/novel designs for optimized biomimetic fog collectors. One of our recent studies (Azad et al 2015a) shows the influence of different microstructures and superhydrophilic surface chemistry of sample surfaces. Another study (Azad et al 2015b) shows the hierarchical surface architecture of plants along with superhydrophilicity as an inspiration for biomimetic fog collectors.
Ein Problem von Pflanzen und Tieren, die im oder am Wasser leben, ist die Benetzung ihrer Oberflächen mit Wasser und eine damit einhergehende Verschmutzung durch Algen, Pilzsporen oder Bakterien. Eine solche Kontamination kann zu einer deutlich verringerten Lebenserwartung führen. Bei einigen Pflanzen und Tieren haben sich daher Strukturen entwickelt, die die Benetzbarkeit der Oberflächen minimieren oder sogar dazu führen, dass ein dünner Luftfilm dauerhaft die Oberfläche trocken hält.
Ähnlich wie die selbstreinigenden Eigenschaften von Oberflächen beim Lotus-Effekt® beruht die Funktion der Lufthaltung bei Salvinia und Notonecta auf einer speziellen Strukturierung der Oberflächen. Die Oberflächen der Arten sind mit unterschiedlich gestalteten, chemisch hydrophoben Haaren besetzt. Das Wasser dringt auf Grund seiner Spannkraft nicht in die Zwischenräume der Haare ein, sondern liegt nur bestimmten Bereichen der Haare auf. Zwischen den Haaren bildet sich auf diese Weise eine stabile Luftschicht und die eigentliche Oberfläche bleibt trocken.
Die dauerhafte Lufthaltung durch Haare auf der Oberfläche wird bei den unterschiedlichen Spezies auf sehr unterschiedliche Weise realisiert: Der Rückenschwimmer hat eine Art doppel-strukturierte Oberfläche (Abbildung 1). Das Wasser liegt nur oben auf den Haaren auf, so dass die Kontaktfläche nun sehr klein ist. Das Wasser bleibt als kompakte Schicht auf den Haaren liegen.
Beim Schwimmfarn Salvinia kommt eine Besonderheit hinzu: die schneebesenartig geformten Härchen sind an ihren obersten Spitzen hydrophil, "wasseranziehend" (Abbildung 2). Kommt diese komplexe Oberfläche jetzt mit Wasser in Kontakt, wird das Wasser regelrecht an den hydrophilen Spitzen festgehalten. Man spricht hier vom "Salvinia-Effekt" Die anderen Bereiche der Härchen, die ebenfalls mit Wasser in Kontakt kommen, sind wie beim Lotus-Effekt mit feinen Wachskristallen besetzt und dadurch chemisch hydrophob (wasserabweisend). Auf diese Weise kommt nur ein sehr kleiner Kontakt zwischen Härchen und Wasser zustande. Die Kombination aus hydrophilen Spitzen und hydrophoben Härchen reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass sich unter Wasser Luftbläschen abschnüren.
Die Vorräte fossiler Brennstoffe nehmen in Anbetracht eines stetig steigenden Energieverbrauches rapide ab. Der Grossteil der heute produzierten Güter wird mit Hilfe von Schiffen rund um den Globus transportiert. In der Schifffahrt geht ein erheblicher Teil der Antriebsenergie (bis zu 70%) durch die Reibung des Wassers am Schiffsrumpf verloren. Dieser Energieverlust lässt sich deutlich reduzieren, indem Rumpf und Wasser durch eine Luftschicht voneinander getrennt werden. Bisherige Ansätze zur Nutzung dieses Effektes, wie z.B. die "microbubbles"-Technik, bei der feine Luftbläschen mittels Kompressoren unter den Schiffsrumpf geblasen werden, haben sich als nicht praxistauglich erwiesen, da dabei zuviel Energie verbraucht wird. Ziel unseres Biona-Projektes "Luft haltende Schiffsbeschichtungen nach biologischem Vorbild zur Reibungsreduktion" ist es, nach dem Vorbild der Natur eine strukturierte Schiffsbeschichtung zu entwickeln, welche in der Lage ist eine Luftschicht dauerhaft unter Wasser zu halten.
In diesem Fall wird die Luft von einer strukturierten Oberfläche gehalten und es bilden sich Wirbelzellen (Luftrollen). Durch diesen internen Wirbel wird die Wasser-Luft Grenzfläche in Bewegung gehalten, wodurch sich die Schubspannung und damit die Kraft auf die Oberfläche verringern. Dieser Effekt wurde bei in Wasser aufsteigenden Luftblasen bereits quantifiziert: Das theoretische Modell von Hadamard und Rybczynski (siehe Koebe (2004)) bestimmt die Reibungsverringerung durch die interne Zirkulation in der Blase mit ca. 33%. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Blase eine kritische Größe, ab der sie Ihre günstige runde Form verliert, nicht überschreitet. Experimente von Maxworthy (1996) haben dieses durch Messungen bestätigt.
ExperimenteBerechnungen für Luftschichten ergaben Reibungsreduktionen von bis zu 50 Prozent. Konservativere Schätzungen für eine Luftschicht nach dem Vorbild der Natur gehen von einer um 10 % reduzierten Reibung aus. Würden alle großen Containerschiffe mit einer Luft haltenden Beschichtung ausgestattet, könnten so fast 1% des gesamten globalen Treibstoffverbraucht eingespart werden!
In ersten Versuchen gelang es dieses Prinzip auf technische Materialien zu übertragen. In Kooperation mit Industriepartnern aus Schifffahrt und Flocktechnik soll eine bionische, Luft haltende Oberfläche entwickelt werden.
In ersten Versuchen gelang es dieses Prinzip auf technische Materialien zu übertragen. In Kooperation mit Industriepartnern aus Schifffahrt und Flocktechnik soll eine bionische, Luft haltende Oberfläche entwickelt werden.
Life is the only specific quality of planet earth. Some 1.7 Million different organisms are known to science. However, all estimations suggest that the actual number is between 8.6 to over 20 million species: about 90% of the residents of our planet are unknown. Despite of the Convention on Biological Diversity (CBD) and other agreements the loss of habitats and dramatic extinction rates are unchanged or even increasing.
The uneven distribution of global biodiversity: species numbers per 10,000km2
One of the main results of our researches are the creation of maps for uneven global distribution of biodiversity, which have now been found in all known textbooks and atlases for secondary and higher schools. By analysing the interaction of biodiversity with the abiotic factors (climate, topography, geology, soils, water = geodiversity) centres of biodiversity were determined. The dimensions of the global biodiversity ranges from 0 (the snow covered polar regions) up to 8,000 species per 10,000 km². The five centres of global biological diversity with over 5,000 species per 10,000 km² lie in the tropical mountains of Costa Rica-Chocó, tropical East-Andes (Ecuador and Bolivia), Mata Atlantica (Brazil), North Borneo and New Guinea. They host a total of 0.2% of the land area (334,000 km²), but about 25% (= 63,000 species) of the total number of species on earth.
The islands have been identified as sensitive systems to human impact, invasive species and climate change, but also because of their isolation, and surface topography as centres of endemism. They comprise 3% of the land area, but house 25% of the c. 300,000 known plant species.
From the classical zoological based works (Terry Erwin, 1982), we know that biodiversity in tropical regions is concentrated on life at the canopies. The results of the global distribution of biodiversity patterns are finally correlated with factors of human impact ("human impact"). It determines with high precision the global “hotspots” which as centres of biodiversity are under specific pressure. The results of these studies provide the basis for the designation of protected areas. Studies on climate change at continental level reveal that e.g. in Africa 25 to 42% of plant species are threatened with extinction by climate change in the coming decades. These studies thus allow conclusions about the changes in biodiversity in a changing world. …more
Biarum ditschianum was found purely by chance during a student excursion in the Turkey in 1987. The plant was described in 1989 by Josef Bogner and Peter Charles Boyce. This was a sensational discovery for Turkey. From the cultivated specimen, collected in April 1988 by M. Koenen, comes this photo made by Wilhelm Barthlott in the Botanic Garden in Bonn.
Schlumbergera orssichiana (Cactaceae):
This summer-blooming Christmas cactus with extreme large flowers was collected 1973 by Countess Beatrix Orssich in the Sierra do Mar in the global biodiversity centre Mata Atlántica (Brazil). It was described in 1978 by W. Barthlott and A.J.S. McMillan. All attempts to recollect it failed: it probably became extinct in nature with the destruction of forests already in the year it was described. However, the plant survived in collections.
Aepyornis maximus:
Example of the threats to biodiversity on islands: a fossilized egg of the elephant bird. Up to 3 m wide and 400-pound elephant birds became extinct after the colonization of Madagascar by man; the elephant bird survived as a bird Roc in "1000 and One Night" and many other Arabian myths.
