Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 Studiengang Maschinenbau
BIONIK Funktionelle Oberfl채che
Vorgelegt von: Amiril Sahab ABDUL SANI
192982
Mohd Hasnun Arif HASSAN
192508
Nor Ilham AZMAN
192911
Inhaltsverzeichnis 1
Einleitung................................................................................................... 1 1.1
2
3
4
5
6
Biologische Mikro- & Nanostrukturen ....................................................... 2
Lotuseffekt................................................................................................. 3 2.1
Mechanismus der Lotus-Effekt .................................................................. 4
2.2
Technik hinter dem Effekt .......................................................................... 4
2.3
Technische Anwendung ............................................................................. 6
Die Klette ................................................................................................... 8 3.1
Das Verhakungsprinzip der Klette ............................................................. 9
3.2
Klettverschluss ........................................................................................... 9
GeckofuĂ&#x; ................................................................................................. 11 4.1
Prinzip der Gecko-Zehen ...........................................................................11
4.2
Anwendungen ............................................................................................14
Haifischhaut ............................................................................................ 16 5.1
Die Funktion der Haifischhaut ..................................................................17
5.2
Flugzeug mit Hai-Tech ...............................................................................18
Mottenaugen ............................................................................................ 20 6.1
Prinzip der Mottenaugen ...........................................................................20
6.2
Mottenaugen in die Technik ......................................................................22
7
Experiment .............................................................................................. 24
8
Literaturverzeichnis ................................................................................ 26
Abbildungsverzeichnis Abb. 1 : Kongo-Rosenkäfer (Scincus scincus) ................................................... 2 Abb. 2 : Sandskink der Sahara (Pachnoda marginata) ...................................... 2 Abb. 3 : Regentropfen auf Lotuspflanzen ........................................................... 3 Abb. 4 : Vierfleck (Libellula quadrimaculata) ...................................................... 3 Abb. 5 : Hydrophobe und hydrophile Oberfläche ............................................... 4 Abb. 6 : Adhäsion und Kohäsion ........................................................................ 5 Abb. 7 : Hydrophoben Glasoberfläche ............................................................... 6 Abb. 8 : Wassertropfen rollen auf der Wandfarbe ab, Selbstreinigung ............... 7 Abb. 9 : Größe Klette (Arctium lappa) ................................................................ 8 Abb. 10 : 94fache Vergrößerung des Klettverschlusses .................................... 9 Abb. 11 : George de Mestral ............................................................................ 10 Abb. 12 : Einige Abbildung des Patents von de Mestral ................................... 10 Abb. 13 : Gecko an der Wand .......................................................................... 11 Abb. 14 : Nanostruktur des Geckofußes .......................................................... 13 Abb. 15 : Kontaktfläche und Adhäsionskraft .................................................... 14 Abb. 16 : Gecko-Tape ...................................................................................... 14 Abb. 17 : Nanostrukturen des Geckotapes bzw. Geckofußes .......................... 15 Abb. 18 : Stickybot nach prinzip des Gecko-Zehen.......................................... 15 Abb. 19 : Die Struktur der Haifischhaut ............................................................ 16 Abb. 20 : Das Modell der feingerillten Schuppen ............................................. 16 Abb. 21 : Laminare und turbulente Strömung .................................................. 17 Abb. 22 : Langstrecken Verkehrsflugzeug ....................................................... 18 Abb. 23 : Die Motte .......................................................................................... 20 Abb. 24 : Mikrooptik des Mottenauges ............................................................. 21 Abb. 25 : Mikro-Noppen auf der Glasoberfläche .............................................. 22 Abb. 26 : Eine Mottenaugen-Glasscheibe ........................................................ 23
1 Einleitung
1
1 Einleitung Unsere Erde betrachtet eine komplexe Oberfläche. Alles was wir sehen oder anfassen sind entweder technische, von Menschen geschaffene oder biologisch gewachsene und auf natürliche Weise entstandene Oberflächen. Wissenschaftlich betrachten wir diese Technik nur bei Grenzoberflächen. Zum Beispiel wie reinige ich eine Oberfläche? Diese Frage kann ausschließlich mit der Kenntnis über Grenzflächenenergie, grenzflächenaktive Stoffe und Adsorption beantwortet werden. [1] Die zentralen Eigenschaften, die abhängig von Grenzflächen sind, sind Benetzbarkeit, Haftung und Reibung. In der Industrie sind sie beispielsweise Foto-, Faser- oder Filmherstellung von Bedeutung, ebenso wie bei Galvaniesierung, Katalyse, Kunststoffherstellung, Lederverarbeitung, Mikrochipproduktion und Papierherstellung. [1] Aufgrund der Bedeutung der Grenzflächen für die Interaktion mit der Umwelt sind biologische Oberflächen meist komplex aufgebaut. Es gibt viele Beispiele von Oberflächen aus der Natur, die in der Technik umgesetzt wurden. In dieser Dokumentation werden folgenden Oberflächen betrachtet: 1. Lotus-Effekt : Pflanzenoberflächen, die nach einem Regen absolut sauber erscheinen. 2. Die Klette : Verhakungsprinzip der Klettenpflanzen. 3. Geckofuß : Klebe nachdem Vorbild der Oberfläche von Geckos 4. Haifischhaut : Widerstandsverminderung der turbulenten Strömung nach dem Beispiel des Haifischhauts. 5. Mottenaugen
:
Die
Oberflächen
von
Mottenaugen
(nachtaktive
Schmetterlinge), mit deren Hilfe Probleme bei optischen Linsen gelöst und die Effizienz von Solarzellen erhöht werden konnte.
1 Einleitung
2
1.1 Biologische Mikro- & Nanostrukturen Die Biotechnologie bedient sich natürlicher Vorbilder: organismische Strukturen wie die Haut von Haien stehen Modell in der Entwicklung energiesparender Flugzeuge und Autos, Farbstoffe aus Pflanze und Tier machen unser Leben bunter, der Lotus-Effekt, der auf die Oberflächenstruktur der namengebenden Pflanze zurückgeht, lässt Honig klebefrei vom Löffel gleiten.
Abb. 1 : Kongo-Rosenkäfer (Scincus scincus)
Um diesen Effekt überhaupt Nutzen zu können müssen Strukturen im Nanometerbereich hergestellt werden. Es mussten Strukturen der Größe von etwa max. 300 nm entwickelt werden, was technologisch durchaus aufwendig ist.
Abb. 2 : Sandskink der Sahara (Pachnoda marginata)
1937 wurden die Ansichten von Oberflächenstrukturen mit Rasterelektronenmikroskop (REM) vom Manfred Ardenne ermöglicht. Die Bilder von dem REM wirken sehr plastisch, scheinbar dreidimensional und offenbaren wichtige Informationen über Oberflächen. [1]
2 Lotuseffekt
3
2 Lotuseffekt Die Lotuspflanze (eine weiße Wasserlilie) wächst in der schmutzigen, schlammigen Unterseite von Seen und Teichen, dennoch trotz dieses sind seine Blätter immer sauber. Dies ist so, weil jedes Mal wenn die kleinste Schmutzpartikel auf die Blätter landet, die Schmutzpartikel auf einen bestimmten Punkt verweist. Regentropfen perlt ab und nimmt dabei alle Schmutzpartikel auf der Oberfläche mit. [2]
Abb. 3 : Regentropfen auf Lotuspflanzen
Unter den Pflanzen finden wir dieses Phänomen nicht nur bei der völlig unverschmutzbaren Lotusblume, sondern auch bei vielen anderen Blättern beispielsweise
Kapuzinerkresse
(Tropaeolum),
Schilfrohr
(Phragmites),
Weißkohl (Brassica oleracea var. Capitata f. alba) oder die Akelei (Aquilegia) [3] und sogar bei tierischen Oberflächen wie von den Insektenflügeln (z.B. Libellen oder Schmetterlingen).
Abb. 4 : Vierfleck (Libellula quadrimaculata)
2 Lotuseffekt
4
2.1 Mechanismus der Lotus-Effekt Betrachten wir die Oberfläche der Lotuspflanzen, können wir ansehen, wie die Topographie oder Struktur der Oberfläche eingebaut ist. Diese Eigenschaft macht den Selbstreinigungseffekt möglich. Unter dem Mikroskop mit dem Vergrößerungsfaktor von bis 100 µm, sieht man wie die Oberflächenstruktur von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen unterscheidet.
Abb. 5 : Raue hydrophobe Oberfläche (links) ; Glatte hydrophile Oberfläche (rechts)
Entscheidend ist die Rauigkeit von der Pflanzenoberfläche. Von oben gezeigten Abbildungen sagen wir aus, dass der Wassertropfen rollend die wenig haftenden Schmutzpartikel auf der rauen hydrophoben Oberfläche wegwäscht.
2.2 Technik hinter dem Effekt Wichtigstes Kriterium der Benetzbarkeit der Oberfläche ist die Oberflächenspannung zwischen den Medien. Nach der Young‘schen Gleichung [4] können wir das Prinzip der Oberflächenspannung ausdeuten und wie die Technik der wasserabstoßender Pflanzenoberfläche erklären.
2 Lotuseffekt
5
Young’sche Gleichung:
F/ W W/ L cos F/L
r = Wenzelsche Vergrößerungsfaktor => ein Verhältnis von Oberflächeninhalten cos α < 0 (negativ) : hydrophob cos α > 0 (positiv) : hydrophil max. α = 180°
Abb. 6 : Adhäsion > Kohäsion (o.l.) ; Adhäsion < Kohäsion (o.r.) ; Adhäsion << Kohäsion (unten)
2 Lotuseffekt
6
Der Winkel α spielt die große Rolle bei der Oberflächenspannung zwischen dem Wassertropfen, der Luft und dem Festkörper. Je größer der Winkel α ist, desto kleiner ist die molekulare Adhäsion (haften) zwischen dem Wassertropfen und der Oberfläche. Damit zeigt die Abbildung 6 (unten) wie der Wassertropfen sich auf einer rauen Oberfläche verhält. Dies zeigt die Eigenschaft der rauen hydrophoben Pflanzenoberfläche. Wassertropfen perlt auf der Oberfläche ab.
2.3 Technische Anwendung Heutzutage finden wir viele marktfähige und erfolgreiche Produkten, die von dem Lotus-Effekt entwickelt worden sind. Die Farbe "Lotusan" wird bereits weltweit sehr erfolgreich eingesetzt. Die Fassaden werden durch jeden Regen von Ruß und anderen Schmutz gesäubert und da die Oberflächen trocken bleiben, können sich keine Schimmelpilze ansiedeln, obwohl auf die umweltschädigenden Biozide verzichtet werden konnte. In der Werbung werden teilweise bewusst so genannte „Easy to clean“ Oberflächen mit den selbstreinigenden Oberflächen nach dem Lotusprinzip verwechselt.
Abb. 7 : Unterschied zwischen einer normalen und einer hydrophoben Glasoberfläche
2 Lotuseffekt
7
Dachziegel mit mikrostrukturierter Oberfl채che reinigen sich bei jedem Regenschauer. Die Vorteile unverschmutzbarer technischer Oberfl채chen sind bestechend: dauerhaft attraktiv sauber ohne Anwendung kostenintensiver und umweltbeeintr채chtigender Reinigungsmittel. Weitere Anwendungsbereiche sind selbstreinigende Gl채ser nach dem Prinzip der Lotuspflanze der Firma Ferro GmbH, die zum Beispiel an den Mautsystemkameras
der
Bundesautobahnen
in
der
Bundesrepublik
Deutschland eingesetzt werden. Die Firma Degussa AG (heute: Evonik Degussa GmbH) hat Prototypen von Kunststoffen und von Sprays entwickelt. [1]
Abb. 8 : Wassertropfen rollen auf der Wandfarbe ab, Selbstreinigung
3 Die Klette
8
3 Die Klette Die Haftprinzipien spielen eine wichtige Rolle nicht nur im Tierreich, sondern auch in viele Pflanzen. Pflanzen entwickeln beispielsweise bei der Verbreitung ihrer Früchte erstaunliche Haftstrategien. Eine von den bemerkenswerten Haftstrategien ist das Prinzip der mechanischen Verhakung. Die Klette ist ein Beispiel dieses Verhakungsprinzips. Klette ist eine zweijährige Pflanze, die eine Höhe von ca. 1,5 m erreichen kann. Die natürlichen Heimaten diese Pflanze sind in Europa, Nordasien und Nordafrika. Die Klette trägt den botanischen Name, Arctium Lappa [5]. Sie hat eine fleischige Pfahlwurzel und oft rötlich gefärbte auffallend kräftige Stengel. Die Blätter sind eier- oder herzförmig. Sie haben eine dunkelgrüne Oberseite und eine fein behaarte Unterseite.
Abb. 9 : Größe Klette (Arctium lappa)
Zwischen Juli bis September des zweiten Jahres bildet sie rosa bis purpurfarbene runde Blütenköpfe. Diese werden von den mit krummem Stachel besetzten Früchten gefolgt. Sie enthalten hellbraune Samen.
3 Die Klette
9
3.1 Das Verhakungsprinzip der Klette Die Samenkugel einer Klette ist mit einer Vielzahl von kleinen Borsten umgeben. Diese Borsten führen durch ihr vielfaches Verhaken ineinander zu einem erstaunlichen festen Zusammenhalt zweier Gegenspieler. Damit kann sich die Klette im Tierfell, aber auch in der Kleidung von Menschen festsetzen. Zieht man jedoch kräftig an der Samenkugel, dann lässt sie sich, ohne selbst beschädigt zu werden, entfernen. Die Häkchen der Klette sind nämlich elastisch und können sich aufbiegen, wenn an der Samenkugel gezogen wird.
3.2 Klettverschluss
Abb. 10 : 94fache Vergrößerung des Klettverschlusses
Die Früchte des Klett-Labkrautes dienten dem Schweizer Georges de Mestral als Vorbild für eine der wichtigen Erfindung der Welt [6]. De Mestral besaß einen Hund, den er nach Spaziergängen immer wieder von den lästigen Früchten des Klett-Labkrautes befreien musste. Er wunderte sich über die hartnäckige Verhakung der Früchte im Fell seines Hundes. Die Idee des Klettverschlusses war geboren, nachdem er unter dem Mikroskop erkannt hat, dass sich die Kletten mit winzigen Widerhaken an den Hunde-haaren festhielten.
3 Die Klette
10
Abb. 11 : George de Mestral
1951 meldete de Mestral das Prinzip des Verhakens mittels Widerhaken zum Patent an [7]. Danach hat er die Firma Velcro gegr端ndet [6].
Abb. 12 : Einige Abbildung des Patents von de Mestral
4 Geckofuß
11
4 Geckofuß Wie schaffen es Spinnen, Käfer, Insekten oder Geckos an Wänden und Decken haften zu bleiben?
Abb. 13 : Gecko an der Wand
Der Gecko ist das schwerste Lebewesen, das kopfüber an der Decke laufen kann. Ein ausgewachsener Gecko von bis zu 40 Zentimeter Länge und einem Gewicht von über 100 Gramm zum Beispiel ist in der Lage, selbst mit einem einzigen Zeh noch an der Wand zu hängen, ohne abzugleiten [1]. Basierend auf Messungen der Haftung von einzelnen Kontaktelementen des Fußes wurde eine Kraft pro Fuß errechnet, die 100 Newton entspricht. Das bedeutet, dass ein gefüllter Wassereimer am Fuß aufgehängt werden könnte. Auf den Menschen übertragen müsste ein Kletterer an einer einzigen Hand hängend circa fünf Mittelklassewagen halten können. In Wirklichkeit sind die tatsächlichen Kräfte, mit denen der Gecko haftet, jedoch geringer. Dennoch bleibt die Frage offen, wie die Tiere diese Leistung überhaupt erbringen können.
4.1 Prinzip der Gecko-Zehen Im Falle der Geckos gab es dazu zahlreiche Theorien. Ende des 19. Jahrhunderts vermutete man, dass ein Unterdruck zwischen der Oberfläche und den Füßen der Tiere für das Haften verantwortlich sei. Diese Hypothese und andere Erklärungsversuche erwiesen sich jedoch als nicht haltbar. Erst mit zunehmend technischem Fortschritt konnte das eigentliche Geheimnis der
4 Geckofuß
12
Geckofüße entschlüsselt werden. Der Forscher Uwe Hiller aus Münster gehörte 1968 zu den ersten Wissenschaftlern [6], die sich eines RasterelektronenMikroskop zur Darstellung von Strukturen bediente und bildete mit einer bis dato unerreichten Vergrößerung den Feinbau der Gecko-Zehen ab. Er entdeckte dabei, dass die gewellten Reihen von Lamellen, die die Unterseite der Füße bedecken und mit bloßem Auge sichtbar sind, aus unzähligen feinen Härchen oder Haftborsten bestehen, auch Setae genannt. Das sind mikroskopisch kleine Härchen aus dem Protein Keratin. Der Durchmesser einer Seta beträgt nur ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Beim Tokee (Gecko gecko) befinden sich auf einem Fuß allein 500.000 solcher Haftborsten, also rund 5.000 pro Quadratmillimeter. Jede Haftborste verzweigt sich zur Spitze hin in einzelne feine, so genannte Spatulae (Löffelchen), deren Durchmesser im Bereich von 200-500 Nanometern liegt. Da sich eine Haftborste (Seta) in einige Hundert Spatulae aufspaltet, beträgt die Anzahl der Haft-Strukturhärchen auf einem Geckofuß einige Millionen. (Abb.12) [1] [6] Damit war das Rätsel des Geckos gelüftet: Er kann dank molekularer Wechselwirkungen, die zwischen den Hafthärchen und dem Untergrund stattfinden, die Decke entlang laufen. Die Haftkraft des Geckos berührt auf der schwächsten der möglichen molekularen Wechselwirkungen, der Van-derWaal-Kraft. Sie wirkt nur zwischen Strukturen, die nicht weiter als einen Nanometer voneinander entfernt liegen. Üblicherweise ermöglicht die Geometrie der Oberflächen nur an sehr wenigen Stellen eine solche Nähe, im Normalfall spielen diese Kräfte deshalb keine Rolle. Da aber die Spitzen der Hafthärchen der Geckos winzig klein und gleichzeitig flexibel sind, erreichen die meisten genügend Nähe zur Oberfläche. Die Van-der-Waals-Wechselwirkung wird so zur dominierenden Kraft, die sich durch Millionen Kontakte zu einer riesigen Haftkraft des Tieres addiert. (Abb.13) [6]
4 Geckofuß
13
Abb. 14 : Nanostruktur des Geckofußes
4 Geckofuß
14
4.2 Anwendungen
Abb. 15 : Kleine Kontaktfläche und kleine Adhäsionskraft (a); größe Kontaktfläche und größe Adhäsionskraft (b)
Diese Erkenntnis wurde von Autumn und Kollegen aus den USA im Jahr 2000 publiziert und sorgte für weltweites Aufsehen. Ein erster Klebeband nach dem Vorbild der Geckoborsten wurde 2003 vorgestellt. Die verwendeten Strukturen waren jedoch nicht haltbar und kollabierten nach dem ersten Gebrauch. [6]
Abb. 16 : Gecko-Tape
Der Biologe Stanislav Gorb und sein Team vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart untersuchen schon seit Jahren systematisch die Haftprinzipien verschiedenster Tiere. Ihnen gelang 2004 die Herstellung eines Geckosklebebands, das selbst nach tausend Klebezyklen immer noch funktionierte. [1]
4 Geckofuß
15
Abb. 17 : Nanostrukturen des Geckotapes (links) bzw. des Geckofußes (rechts)
Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Case Western University in Cleveland (Ohio, USA) bauten sie 2005 den ersten Roboter [8], der nach dem Vorbild des Geckos eine Glasscheibe hochklettern kann.
Abb. 18 : Stickybot nach prinzip des Gecko-Zehen
Entwicklungen wie diese regen seitdem die Fantasie der Menschen an, mit Hilfe von Geckohandschuhen wie Spiderman Hausfassanden und Glasscheiben erklimmen zu können. Das hohe Gewicht des Menschen steht einer Realisierung dieses Traumes aber entgegen, so dass wir Spiderman weiterhin nur dank Computeranimationen kopfüber ein Hochhaus hinunter klettern sehen werden.
5 Haifischhaut
16
5 Haifischhaut In den frühen achtziger Jahren des neunzehnten Jahrhunderts entdeckte WolfErnst Reif, ein Tübinger Paläontologe, dass die Schuppen bestimmter Haifische mit feinen, scharfkantigen Rillen besetzt sind. Allerdings sind solche Rillen nur auf den Schuppen schnell schwimmender Haie wie z.B. Kurzflossen-Mako, Heringshai, Weißer Hai, Seidenhai, Schwarzhai, Hammerhai und andere zu finden. [6]
Abb. 19 : Die Struktur der Haifischhaut
Ein erstaunliches Merkmal der Schuppen ist die Haltbarkeit. Sie werden für hundert Millionen Jahre unverändert beibehalten. Deshalb werden sie nicht nur auf gegenwärtig lebenden Haien gefunden, sondern auch auf uralte Versteinerungen.
Abb. 20 : Das Modell der feingerillten Schuppen
5 Haifischhaut
17
Es ist zu vermuten, dass die Schuppen dienen zur Verringerung der Energieaufwand beim schnellen Schwimmen, da solche fein gerillten Schuppen nur bei den schnellen Haien auftreten. Die Schuppen langsam schwimmender Haien weisen keine scharfkantigen Rillen aus, und deshalb dienen zum Schutz vor Parasiten und Verletzungen.
5.1 Die Funktion der Haifischhaut Es gibt zwei Strömungsformen im Bereich der Strömungsmechanik, welche als laminare und turbulente Strömung genannt werden. Höhere Reibungsverluste treten in einer turbulenten Strömung im Vergleich zu der laminaren Strömung.
Abb. 21 : Laminare und turbulente Strömung
In der laminaren Strömung gibt es lediglich eine Hauptströmungsrichtung, während in turbulenter Strömung die Hauptströmungsrichtung von kleinen Querbewegungen
überlagert
wird.
Diese
Querbewegungen
bilden
den
zusätzlichen Anteil der turbulenten Reibung. Die meisten Strömungen, die bei technischer Anwendung auftreten, sind turbulent. Die feinen Rillen der Haifischschuppen dienen zur Verminderung ein Teil der Wandreibung sowie die turbulente Querbewegung der Strömung. Im Laborexperiment lassen sich eine Widerstandsverminderung bis zu zehn Prozent erreichen. Die Rillen sind winzig und funktionieren nur in einem bestimmten
5 Haifischhaut
18
Geschwindigkeitsbereich.
Deshalb
muss
die
Rillenoberfläche
für
jede
Anwendung speziell angepasst werden.
5.2 Flugzeug mit Hai-Tech Die Rillenoberfläche des Hais vermindert der Widerstand alle turbulenten Strömungen, egal ob im langsamen Unterschallbereich, im Transschall- oder im Überschallbereich. Hai und Flugzeug bewegen sich in einer turbulenten Strömung und zeigen sich an der Oberfläche jeweils ähnliche Wirbelstrukturen, die für die Erzeugung der Wandreibung verantwortlich sind. Deshalb dient die gerillten Haischuppen heute als Grundlage für die Treibstoff-sparende Beschichtung von Flugzeugen.
Abb. 22 : Langstrecken Verkehrsflugzeug
Die Rillenweite eines Hais beträgt ungefähr 0,05 mm, aber für die Anwendung auf einem Verkehrsflugzeug ist eine Rillenweite von rund 0,005 mm zu konstruieren [6]. Der Gesamtwiderstand eines Flugzeugs setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen:
Formwiderstand
Induzierter Widerstand
Wandreibungswiderstand (50 Prozent Anteil des Gesamtwiderstands)
Etwa 70 Prozent der Flugzeugoberfläche können mit der künstlichen Haifischhaut beklebt werden. Dies führt zu einer Verminderung der Wandreibung von 6 Prozent. Mit dieser Verminderung werden die Treibstoffkosten etwa 0,7 Prozent eingespart. [6]
5 Haifischhaut
19
Allerdings haben die Fluggesellschaften bisher wenig Interesse an dieser Entwicklung gezeigt, da das Aufbringen der Rillenoberfläche mit Kosten verbunden ist. Außerdem gab es noch einige ungeklärte technische Fragen, wie die Haltbarkeit des Beklebens und der Beschaffenheit der Folie selbst. Ferner wird das Aussehen des Flugzeugs beim Bekleben der Rillenfolie verändert und damit könnte eine Rückgang der Passagieranzahl zur Folge haben.
6 Mottenaugen
20
6 Mottenaugen Die Motten sind eigentlich nachtaktive Schmetterlingen, die an warmen Sommerabenden jede erdenkliche Lichtquelle umkreisen. Diese kleinen Schmetterlinge, die uns so lästig erscheinen, besaßen ein Geheimnis, dessen Entschlüsselung und inzwischen von großem Nutzen ist.
Abb. 23 : Die Motte
Nachtaktive Schmetterlinge, beispielsweise die Eulen (Noctuidae) [1], scheuen zwar das Licht, sind zur Orientierung aber dennoch auf ein wenig (restlich) angewiesen. Für unsere Tageslicht-Augen scheint eine mondlose Nacht stockdunkel. In Wirklichkeit können unsere Augen aber nur das Licht der Nacht nicht wahrnehmen. Mit entsprechenden Geräten, wie Restlichtverstärkern, sieht man mit eigenen Augen, dass selbst Sternenlicht oder an Wolken zurückgeworfenes Licht die Erde erhellt.
6.1 Prinzip der Mottenaugen Um das wenige Restlich der Nacht wahrnehmen zu können, haben nachtaktive Schmetterlinge besondere Augen entwickelt. Wie bei allen Insekten sind ihre Facettenaugen (Komplexaugen) in viele kleine sechseckige Einzelaugen, die so genannten Ommatidien, unterteilt. Jedes einzelne Ommatidium ist wiederum mit zahlreichen winzigen Stäbchen oder Säulen übersät. [1]
6 Mottenaugen
21
Abb. 24 : Mikrooptik des Mottenauges
Der Durchmesser eines solchen Stäbchens liegt unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts, und auch der Abstand zwischen den einzelnen Stäbchen ist kleiner als die Wellenlänge. Diese Strukturen sorgen dafür, dass nahezu alle einfallende Licht hindurch gelassen und so gut wie kein Licht reflektiert wird. Gleichzeitig schützt die unterdrückte Reflexion die Schmetterlinge vor Räubern, die das reflektierte Licht in den Augen der Schmetterlinge entdecken könnten. Die Stäbchen liegen in einem Abstand von 250 Nanometern (1 Nano = 10-9) nebeneinander und reichen 200 Nanometer in die Tiefe. Diese Geometrie ist verantwortlich für die starke Verringerung der Reflexion. [1]
6 Mottenaugen
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Würde man also eine Motte mit einer Taschenlampe anstrahlen, so würden ihre Augen dunkel bleiben und nicht, wie beispielwiese die einer Katze, hell zurückleuchten. Die einfachste, wenn auch physikalisch nicht ganz korrekte Erklärung für dieses Phänomen ist, dass der Übergang zwischen dem optisch dichteren Medium (Auge) und dem optisch dünnen (umgebenden Luft) allmählich erfolgt. Dies liegt daran, dass der Umfang der Stäbchen zur Basis hin wie bei einer Pyramide langsam zunimmt. Da das Material (Stäbchen) nun allmählich mit der Luft gemischt wird, erzielt man einen kontinuierlichen Anstieg der optischen Dichte. Man spricht in diesem Fall von einem effektiven Brechzahlgradienten, und dieser wirkt eine Entspiegelung der Oberfläche. [6]
Abb. 25 : Mikro-Noppen auf der Glasoberfläche
6.2 Mottenaugen in die Technik In unserem Alltag kommen häufig Reflexionen vor. Sie entstehen immer dann, wenn Lichtstrahlen auf eine Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Medien treffen. Je nach optischer Dichte des Mediums, charakterisiert durch die Brechzahl, wird dabei mehr oder weniger Licht zurückgeworfen. Ab einem bestimmten Winkel findet je nach Medium eine Totalreflexion statt, und alles auftreffende Licht wird zurückgeworfen.
6 Mottenaugen
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Problemen:
im Straßenverkehr, wenn der Lichtreflex einer Glasscheibe die Sicht derart vermindert, dass andere Autos oder Passanten nicht mehr gesehen werden.
Bei der Energiegewinnung durch Solarzellen stellen Reflexionen eine Behinderung dar. Hier ist es wichtig, dass möglichst alle Sonnenstrahlen durchgelassen und nicht zurückgeworfen werden.
Manchmal ist eine möglichst hohe Reflexion des Lichtes erwünscht, beispielsweise wenn wir uns im Spiegel betrachten wollen. Bei allen diesen Problemen können die entspiegelnd wirkenden Strukturen der Mottenaugen helfen. Namhafte Firmen wie die Robert Bosch GmbH oder die Fresnel Optics GmbH nutzen diese Technologien, um im Automobil transparente Abdeckungen oder Linsen von Tageslichtprojektoren zu entspiegeln. [1] Die
Herstellung
erfolgt
meist
über
Mikroreplikationen (Abformungen), die zwar schwieriger, aber auch kostengünstiger
sind
als
andere
Ent-
spiegelungsverfahren. Heute beträgt der Markt für mikroreplizierte Oberflächen bereits mehrere Milliarden Euro. Während
die
kömmlichen
Reflexion
einer
her-
Glasscheibe
rund
acht
Prozent beträgt, lässt sie sich auf Abb. 26 : Eine Mottenaugen-Glasscheibe
bionischen
Glasscheiben
auf
ein
Prozent reduzieren. Inzwischen werden diese Oberflächen bereits im Automobilbau oder im Displaybereich (zum Beispiel bei Handys) eingesetzt. Auch der Wirkungsgrad von Solarzellen lässt sich mit dieser Technik deutlich erhöhen. [6]
7 Experiment
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7 Experiment Versuch 1
Wasser auf hydrophilen Oberflächen
Material
verschiedene Papiersorten (Hochglanzpapier, Schreibmaschinenpapier, Filterpapier), Schieblehre, Pipetten
Durchführung
Die Schüler lassen Wassertropfen möglichst gleichen Volumens (Pipetten nutzen!) auf Papier verschiedener Rauigkeit tropfen. Der Tropfen (bzw. Wasserfleck-) Durchmesser wird mit einer Schieblehre gemessen.
Beobachtung
Je glatter das Papier ist, desto geringer ist der Durchmesser des Tropfens und desto größer ist seine Wölbung. Das Filterpapier saugt den Wassertropfen vollständig auf, auf Hochglanzpapier ist der Tropfendurchmesser minimal.
Erklärung
Die hydrophilen Zellstofffasern üben Adhäsionskräfte auf das Wasser aus, die umso größer sind, je größer ihre Oberfläche ist (oder je rauer die Oberfläche des Papiers ist). Daher breitet sich der Wassertropfen über eine mehr oder weniger große Fläche aus.
Versuch 2
Wasser auf hydrophoben Oberflächen
Material
verschiedene frische Blätter (Gras, Kapuziner, Kohlrabi), Pipette, Lupe (8x) oder Stereolupe
Durchführung
Wassertropfen werden mit einer Pipette auf die Blätter gegeben. Blätter oder Blattteile werden in einer kleinen Glaswanne untergetaucht (ggf. mit Objektträgern seitlich beschweren).
Beobachtung
Die Tropfen kugeln sich extrem ab. Unterhalb der Tropfens ist mit der Lupe eine silbrige Schicht zu erkennen. Diese wird noch deutlicher, wenn das Blatt als Ganzes untergetaucht wird. Das Wasser läuft beim Herausnehmen ab, ohne die Oberfläche der Oberfläche der Blätter dauerhaft zu befeuchten. An Grasblättern kann man erkennen, dass einzelne Tropfen sich dort rückstandsfrei lösen, wo der Spiegeleffekt am deutlichsten ist, während an manchen Stellen Wasserspuren zurückbleiben.
Erklärung
Zwischen den Mikrostrukturen der Blattoberflächen wird Lufteingeschlossen. An der Grenzfläche von Wasser und Luft entsteht durch Totalreflexion des Lichts ein Spiegeleffekt. Wegen der geringen Kontaktflächen zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen sind die Adhäsionskräfte gering, ein Wassertropfen perlt nahezu rückstandsfrei von der Blattoberfläche ab. Die Gestalt des Tropfens ist überwiegend durch die Oberflächenspannung des Wassers bestimmt.
7 Experiment
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Versuch 3
Selbstreinigung eines Blattes (hydrophile Verschmutzung)
Material
Blätter von Gras, Kapuzinerkresse, Kohlrabi; Lehmstaub (fein zerriebener Gartenlehm)
Durchführung
Auf die Blätter wird Lehmstaub gegeben. Anschließend wird mit einer Pipette ein einzelner Wassertropfen auf diese verschmutzte Oberfläche gesetzt und das Blatt geneigt, so dass der Tropfen abrollt.
Beobachtung
Die Lehmpartikel werden in den Wassertropfen aufgenommen. Der Tropfen hinterlässt eine saubere Spur auf dem verschmutzten Blatt.
Erklärung
Die hydrophilen Lehmpartikel werden vom Tropfen aufgenommen, da ihre Adhäsion zur Blattoberfläche geringer ist als die Adhäsion zum Wasser. Erst wenn der Tropfen mit Lehm gesättigt ist, kann er keine Reinigungswirkung mehr ausüben. Dann bleiben die übrigen Lehmpartikel auf der Blattoberfläche zurück. In der Natur ist dieser Lotus-Effekt verantwortlich dafür, dass Blattoberflächen fast immer sauber sind (wenngleich es deutliche Unterschiede im "Reinigungsverhalten" gibt, die auf unterschiedliche Grade der Unbenetzbarkeit der Oberflächen zurückgehen). Eine unverschmutzte Blattoberfläche bewahrt ihre volle Funktionsfähigkeit zu Photosynthese und Gasaustausch. Darüber hinaus wird die Anheftung von pathogenen Pilzsporen erschwert.
Versuch 4
Künstliche Herstellung einer Oberfläche mit Lotus-Effekt
Material
Kerze, Objektträger
Durchführung
Ein Objektträger wird über eine Kerzenflamme gehalten, bis der teilweise rußgeschwärzt ist. Anschließend lässt man einen Wassertropfen über die rußige Oberfläche rollen.
Beobachtung
Der Wassertropfen rollt ab wie von einer anderen unbenetzbaren Oberfläche und reißt lose Rußpartikel mit sich.
Erklärung
Der Ruß enthält unverbranntes, hydrophobes Paraffin. Er bildet auf der Objektträgeroberfläche eine raue, hydrophobe und selbstreinigende Oberfläche. Wie alle Oberflächenstrukturen, die zwischen 5 und 20 µm hoch und etwa 5 bis 50 µm voneinander entfernt sind, zeigt auch die Rußschicht auf dem Objektträger den Lotus-Effekt.
8 Literaturverzeichnis 1. Cerman, Z., Barthlott, W. und Nieder, J. Erfindungen der Natur, BionikWas wir von Pflanzen und Tieren lernen können. s.l. : Rohwohlt Taschenbuch Verlag, 2005. 2. Yahya, Harun. Biomimetics - Technology Imitates Nature. Norwich, UK : Global Publishing, Bookwork, 1999. 3. Ulrich, C. Lotuseffekt. Wikipedia. [Online] http://de.wikipedia.org/wiki/Lotuseffekt. 4. Rechenberg, Ingo. Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugeneffekt. Ingo Rechenberg, BionikVorlesungen. [Online] http://www.bionik.tu-berlin.de/institut/skript/B1-08Fo9.ppt. 5. Berger, Harry. Kletten. Wikipedia. [Online] 22. August 2004. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Klette01.jpg. 6. Blüchel, Kurt G. und Malik, Fredmund. Faszination Bionik, Die Intelligenz der Schöpfung. s.l. : Bionik Media GmbH. 7. de Mestral, George. Separable fastening device. 3009235 Switzerland, 21. November 1961. 8. Sangbae, Kim. Stickybot. Sangbae Kim's Biomimetic World. [Online] http://www-cdr.stanford.edu/~sangbae/Stickybot.htm. 9. Stephens, Thomas. How a Swiss invention hooked the world. Swissinfo. [Online] 4. Januar 2007. http://www.swissinfo.ch/eng/search/detail/How%20a%20Swiss%20invention%2 0hooked%20the%20world.html?siteSect=881&sid=7402384&cKey=116792712 0000.
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