Lufthaltung von biologischen Oberflächen

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.

Abbildung 1
Abbildung 1: Doppel-strukturierte Haare auf der Oberfläche des Rückenschwimmers. 
© Balmert et al. 2011 J Morph

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.

Abbildung 2
Abbildung 2: Die hydrophilen Endzellen der Salvinia-Haare „pinnen“ das Wasser fest wie eine Reißzwecke. 
© Barthlott et al. 2010 Adv Mat