Springende Tropfen

 Diese dicht mit Tautropfen bedeckte Zikade zeigt, wie effektiv ihre Oberfläche Luftfeuchtigkeit kondensieren lässt (Bild: Duke University)
Diese dicht mit Tautropfen bedeckte Zikade zeigt, wie effektiv ihre Oberfläche Luftfeuchtigkeit kondensieren lässt (Bild: Duke University)
Ob Fassadenfarbe, Gläser oder Textilien: Der Lotuseffekt sorgt bereits bei vielen Oberflächen für einen selbstreinigenden Effekt. Einen Haken gibt es dabei allerdings: Für die Reinigung der nanostrukturierten Überzüge werden Regentropfen gebraucht. Regnet es nicht, sammelt sich der Schmutz trotz Nanostruktur ungehindert an. Wie sich dies verhindern lässt, hat ein internationales Forscherteam jetzt der Natur abgeschaut: bei Zikaden. Denn die Insekten nutzen ein raffiniertes Prinzip, um Schmutzteilchen fast wie von selbst wegspringen zu lassen - Regen benötigen sie dafür nicht.
Zikaden haben ein Problem: Sie besitzen lange Flügel mit großer Oberfläche, aber nur ziemlich kurze Beinchen. Sie schaffen es damit nicht, aktiv Pollen, Staub und anderen Schmutz von ihren Flügeln zu entfernen. Trotzdem sieht man nur selten verdreckte Exemplare dieser Pflanzensauger, sie scheinen stattdessen fast immer wie aus dem Ei gepellt. Schon früher hatten Untersuchungen gezeigt, dass dafür raffinierte Nanostrukturen auf ihrer Körperoberfläche eine entscheidende Rolle spielen: Ihre Flügeloberseiten sind über und über mit winzigen Vorsprüngen bedeckt. Wie umgestülpte Eistüten ragen deren spitz zulaufende Enden nach außen. Landet ein Wassertropfen auf dieser Oberfläche, berührt er nur die Spitzen der wasserabweisenden Nanostrukturen, unter ihm bleiben luftgefüllte Taschen erhalten. Sie sorgen wie beim Lotus-Effekt dafür, dass die Regentropfen abperlen und dabei Schmutzpartikel gleich mitnehmen.

"Aber damit dieses Prinzip funktioniert, muss es regnen und die Oberfläche muss zudem so ausgerichtet sein, dass die Tropfen durch die Schwerkraft von selbst abfallen oder hinunterrollen", sagt Studienleiter Chuan-Hua Chen von der Duke University in Durham. Das aber ist der Haken. Denn viele Zikaden leben in Gebieten, in denen es lange Zeit nicht regnet - manchmal während der gesamten Lebenszeit einer Zikade nicht, wie der Forscher erklärt. Dafür aber ist die Luftfeuchtigkeit im Lebensraum der Insekten meist ziemlich hoch.

Tropfen springen von selbst in die Luft

Um herauszufinden, wie die Zikaden unter diesen Bedingungen trotzdem ihre Flügel sauber halten, haben Chen und seine Kollegen das Geschehen an den Nanostrukturen mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeits-Mikroskop-Kamera eingefangen. Dazu befestigten sie Stücke der Flügelhaut in einer Plexiglaskammer mit hoher Luftfeuchtigkeit und filmten einen kleinen Ausschnitt der Oberfläche. In weiteren Experimenten gaben sie zusätzlich Pollen oder kleine Kunststoffpartikel auf den Flügelausschnitt, um zu ermitteln, wie gut solche Fremdkörper entfernt werden.

Die Aufnahmen enthüllten Erstaunliches: Die spezielle Struktur der wasserabweisenden Nano-Oberfläche führt dazu, dass die Luftfeuchtigkeit kondensiert - es bilden sich Tautropfen auf den Nanospitzen. Das Entscheidende aber geschieht, wenn zwei solcher Tautropfen zusammentreffen und verschmelzen: Diese Verschmelzung setzt Energie frei, die den entstehenden Kombitropfen wie von Geisterhand in die Luft katapultiert. "Der Tropfen sprang selbstständig von der Oberfläche weg - auch gegen die Schwerkraft", berichten die Forscher. Die Schubkraft dieses Prozesses reiche aus, um auch bis zu 100 Mikrometer große Schmutzpartikel mitzunehmen, die zuvor in den Tropfen eingeschlossen wurden.

Vorbild für effektivere selbstreinigende Oberflächen

Und selbst Ansammlungen mehrerer Schmutzteilchen werden dank der besonderen Eigenschaften der Zikaden-Flügel beseitigt, wie das Experiment zeigte. "Wenn darauf liegende Partikelklumpen hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt wurden, bildeten sich Brücken aus flüssigem Wasser zwischen ihnen", beschreiben die Forscher den Prozess. Dies führt dazu, dass die Partikel noch enger zusammen klumpen. Wenn dann noch mehr Wasser kondensiert, springt der gesamte Komplex von der Oberfläche weg, wie die Highspeed-Aufnahmen zeigten. Dieser Mechanismus sei einzigartig für solche superhydrophoben Oberflächen - und sehr effektiv, um sowohl organische als auch künstliche Partikel zu entfernen, konstatieren Chen und seine Kollegen.

Die neuen Erkenntnisse könnten dabei helfen, bessere selbstreinigende Oberflächen zu entwickeln. Diese würden dann im Gegensatz zum Lotus-Effekt auch ohne Regen sauber bleiben und dies unabhängig davon, ob sie senkrecht oder waagerecht liegen. "Nanostrukturierte Oberflächen mit dem Springende-Tropfen-Mechanismus funktionieren in jeder räumlichen Orientierung, das ist ein großer Vorteil beispielsweise für mobile Elektronik oder für Dächer", sagt Chen.
Chuan-Hua Chen (Duke University, Durham) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), doi: 10.1073/pnas.1210770110

© wissenschaft.de - Nadja Podbregar


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