Selbstreinigung von Oberflächen

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Category: Funktionsprinzip

Published: Wednesday, 11 September 2013 09:32

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Pflanzen sind von Natur aus unterschiedlichen Verschmutzungen ausgesetzt. Die meisten sind anorganischer Natur (verschiedene Stäube, Ruß), andere biologischen Ursprungs (Pilzsporen, Konidien, Honigtau, Algen). Darüber hinaus unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer Benetzbarkeit, also ob sie von einem Wassertropfen aufgenommen werden oder auf dessen Oberfläche schwimmen. Dies hat ein unterschiedliches Reinigungsverhalten zur Folge. Auf rauen, unbenetzbaren Blättern ist nicht nur die Adhäsion von Wasser an die Oberfläche verringert, sondern auch die von Schmutz. Rollt ein Tropfen über die nur lose aufliegenden Schmutzpartikel hinweg, dann werden sie von Wasser benetzt und haften an der Tropfenoberfläche.Durch die sehr geringe Adhäsion an die Oberfläche werden die Partikel mitgerissen und vom Blatt entfernt.

Bei einer Kontamination der Blätter mit einem hydrophilen („wasserliebenden“) Schmutz wie Lehm, kann beobachtet werden, dass die Partikel in die Wassertopfen aufgenommen werden und nicht wieder aus ihnen herausgelangen können. Deutlich ist eine Laufspur sichtbar, wo die Tropfen die Partikel aufgenommen haben (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Tropfen nimmt beim Abrollen die lose auf dem Blatt aufliegenden Schmutzpartikel auf und reinigt so die Oberfläche.

Wird statt einer hydrophilen eine hydrophobe (wasserabweisende) Substanz zur Kontamination verwendet, dann ändert sich das Verhalten an der Oberfläche grundlegend. Wider allen Erwartungen entfernt ein aufgesetzter Wassertropfen die Partikel ebenfalls vom Blatt, obwohl die hydrophoben Partikel eher an der hydrophoben Oberfläche haften sollten als am Wassertropfen. Dabei werden die Partikel jedoch nicht ins Innere des Tropfens aufgenommen, sondern bedecken die Oberfläche des Tropfens gleichmäßig.

Es ist erstaunlich, dass eine hydrophobe Substanz durch einen Wassertropfen von einer hydrophoben Oberfläche entfernt wird. Bei Betrachtung der Verhältnisse auf der mikroskopischen Ebene wird der Mechanismus jedoch klarer. Die Partikel liegen nur auf den äußersten Spitzen der Wachskristalle auf. Daher ist auch ihre Kontaktfläche mit der Blattoberfläche extrem gering und damit verbunden auch die Adhäsionskräfte. Diese sind dabei größer zwischen dem Wassertropfen und dem Partikel als zwischen dem Partikel und der Wachsschicht. Die Partikel haften also an der Wasseroberfläche (Abbildung 2).

Abbildung 2: Selbst ein fettliebender Farbstoff, der von der Polizei zum Markieren von Geldscheinen verwendet wird, kann dank Lotus-Effekt mit ein wenig Wasser von der Blattoberfläche weggespült werden.

Der Lotus-Effekt ist kein zufälliges Begleitphänomen, sondern ist von der Pflanze „gewollt“. Neben den anorganischen Kontaminantien, die mehrere negative Auswirkungen auf das lebende Gewebe haben (zum Beispiel stärkere Erhitzung unter Sonneneinstrahlung, Säurewirkung, Verschluss von Spaltöffnungen), spielen die organischen in Form von Pilsporen, Bakterien oder Algen für die Pflanzen eine viel bedeutendere Rolle. Die wohl eleganteste Möglichkeit bietet jedoch der Lotus-Effekt. Dadurch wird verhindert, dass sich ein Pathogen auf der Oberfläche überhaupt erst festsetzt. Sporen werden bei jedem Regen abgewaschen, und für den Fall, dass es eine Zeitlang nicht regnet, fehlt ihnen das nötige Wasser für die Keimung (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der wichtigste Grund für den Lotus-Effekt in der Natur ist der Schutz gegen krankmachende Keime, wie zum Beispiel Bakterien und Pilzsporen. Diese werden regelmässig durch Regen von den Blättern entfernt.