Biomimetik: haftend wie ein Tintenfisch oder glatt wie ein Lotusblatt? Teach article

Übersetzt von Hildegard Kienzle-Pfeilsticker. Astrid Wonisch, Margit Delefant und Marlene Rau stellen zwei Aktivitäten aus dem österreichischen Projekt “Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen“ vor, die entwickelt wurden, um zu erkunden, wie Technologie von der Natur inspiriert wird.

2004 wurde Alice Pietsch von der Pädagogischen Hochschule Steiermark, Österreich, von einer einfachen aber ausgesprochen visuellen Demonstration in einem Wissenschaftsmuseum inspiriert. Ein pensionierter Wissenschaftslehrer pumpte mit einem Blasebalg Luft in ein Paar Schafslungen, indem er sie im Wechsel aufblies und die Luft wieder abließ. Um ihn herum standen sehr viel mehr Menschen als um die meisten der Exponate, die eher dem High-Tech-Bereich zuzuordnen waren – das veranlasste Alice, ein interaktives Wissenschaftsmuseum zu gründen.

2008 konnte sie ihren Traum verwirklichen. Fünf Monate lang entwickelten Schüler jeden Alters aus der Steiermark 50 verschiedene Aktivitäten für andere Schüler. Die Ausstellung Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen fand 2009 im Haus der Wissenschaft in Graz, Österreich, statt, wo die Schüler und ihre Lehrer den Besuchern bei jeder Aktivität behilflich waren. Es war ein großer Erfolg.

Die meisten Aktivitäten sind für den Wissenschaftsunterricht geeignet; wir zeigen hier zwei Aktivitäten zur Biomimetik – die Anwendung natürlicher Prinzipien im Ingenieurwesen und der Technologie. Bekannte Beispiele sind der Klettverschluss, der die mit Häkchen überzogenen Klettensamen nachahmt, und Bootsrümpfe, die die dicke Haut von Delfinen nachahmen. Die unten beschriebenen Aktivitäten untersuchen Saugnäpfe und Superhydrophobizität, was beides in der Natur zu finden ist. Die Aktivitäten wurden für jüngere Schüler der Sekundarstufe (Alter 10-15 Jahre) entwickelt, können aber für Schüler praktisch jeden Alters angepasst werden und sind eine gute Gelegenheit, Physik, Chemie und Biologie zu integrieren. Je nachdem wie tief man in’s Detail geht, kann jede einzelne Aktivität zwischen fünf Minuten bis zu über einer Stunde dauern.

Die komplette, gedruckte Sammlung der Aktivitäten aus der Ausstellung in deutscher Sprache kann über Birgit Muhr (birgit.muhr@phst.at) für 19€ plus Porto bezogen werden.

Adhäsion an ebene Oberflächen: negativer Druck

Haushaltssaugnäpfe wurden durch die Sohlen von Baumfröschen und die Tentakel von Tintenfischen inspiriert, deren Saugkraft bereits den alten Griechen bekannt war.

Diese Saugnäpfe benutzen wir auf ebenen Oberflächen – um Haken auf Badezimmerkacheln zu befestigen oder um Küchenmaschinen auf ihrer Unterlage zu fixieren und unter Gummimatten in der Dusche oder in Spielzeugpfeilen. Warum aber haften sie?

Schaut man sich einen Saugnapf genauer an, bemerkt man, dass er leicht gekrümmt ist. Könnte die Krümmung vielleicht für die Adhäsionskraft des Saugnapfes verantwortlich sein? Forschen wir mal nach.

Material

• 4 Saugnäpfe (man muss einen Faden daran befestigen können)

• Eine kleine Laubsäge

• Einen 50 cm langen Stab, ungefähr 3-4 cm im Durchmesser (die Schüler sollten mit ihren Fingern darum herumgreifen können)
• Vier 50 cm lange Stücke eines starken Fadens
• Eine Schere
• Ein Kunststoffbrett
• Ein permanenter Marker

Vorgehensweise

1. Mit der Laubsäge auf der Stange vier Kerben im gleichen Abstand sägen.

2. An jeden der vier Saugnäpfe ein Stück Faden binden.

3. Die anderen Enden der Fäden an den vier Kerben auf dem Stab festbinden. Es ist wichtig, dass die Fäden alle genau gleich lang sind.

4. Das Kunststoffbrett auf den Boden legen und mit dem Permanentmarker vier Kreise für die Saugnäpfe in gerader Linie zeichnen. Auf jede Seite der Linie einen Fußabdruck zeichnen (siehe das Bild rechts).
5. Die Saugnäpfe auf die vier Kreise drücken.
6. Wiederhole das Experiment, wobei Du die Saugnäpfe nass machst, bevor Du sie auf das Kunststoffbrett drückst. Was kann man beobachten?
7. Wie verändert sich die Krümmung der Saugnäpfe, wenn sie am Kunststoffbrett haften?
8. Wie verändert sich die Krümmung der Saugnäpfe, wenn sie am Kunststoffbrett haften?

Diskussion

Drückt man den Saugnapf gegen das Kunststoffbrett, vermindert man die Wölbung und das Volumen zwischen Saugnapf und Brett und bewirkt, dass einTeil der Luft dazwischen entweicht. Lässt der Druck nach, will der elastische Saugnapf seine ursprüngliche, gekrümmte Form wieder annehmen. Das Volumen im Raum zwischen Saugnapf und Brett vergrößert sich wieder, enthält jedoch weniger Luft und daher weniger Luftdruck. Der höhere Luftdruck außen bewirkt, dass der Saugnapf am Brett haften bleibt.

Die Kraft eines Saugnapfes kann folgendermaßen berechnet werden:

F = Ap, wobei F: Kraft; A: Fläche; p: Druck.

Die Fläche wird mit πr² berechnet, wobei r der Radius des Saugnapfes ist. Der Druck im Innenraum zwischen Saugnapf und Brett ist vernachlässigbar, verglichen mit dem Atmosphärendruck, der etwa 100 000 Pa beträgt. Es gilt also:

F = πr² (100 000 Pa)

Wie lange es dauert bis sich der Saugnapf von selbst (ohne zusätzliche Kraftanwendung) löst, wird davon abhängen, wie porös und plan sowohl der Rand des Saugnapfes und der darunterliegenden Oberfläche sind, wovon abhängt, wie schnell Luft zurückströmt und den Druck ausgleicht.

Wasser, Speichel und andere Flüssigkeiten verschließen den Saugnapf gut, indem sie ihn luftdichter machen und bewirken, dass Luft schwerer wieder einströmen kann. Daher bedarf es noch mehr Kraft, den vor dem Andrücken auf eine Oberfläche angefeuchteten Saugnapf abzuziehen..

Selbstreinigende Effekte: Hydrophobizität in der Natur

In der Natur gibt es richtige Sauberkeitsfanatiker: Mistkäfer krabbeln makellos aus Kuhfladen, man sieht praktisch keinen schmutzigen Schmetterling oder keine schmutzige Libelle und manche Pflanzen schütteln Schmutz sehr erfolgreich ab. Die Lotusblume beispielsweise wächst in schmutzigem Wasser, ohne dass Schmutz an ihren Blättern hängt; im Buddhismus ist die Lotusblume sogar ein Symbol der Reinheit. Diesen Lotuseffekt findet man auch in der eigenen Umgebung: Die Blätter und Blüten der Kapuzinerkresse sehen so sauber aus, als ob man sie ohne Waschen essen könnte (man sollte sie vorsichtshalber trotzdem waschen). Wie bekommen sie das ohne Seife hin?

Menschen haben diesen Selbstreinigungseffekt zu vielen Zwecken nachgeahmt zum Beispiel bei selbstreinigenden Kunststoffen, Dachziegel, Fensterscheiben, Keramik, Holz und Autolack und Fassadenfarbe. Durch Imprägnierung mit einem Spezialspray bekommt man auch schmutzabweisende Kleidung.

Wie funktioniert das? Finden wir es heraus.

Material

• Teile von Pflanzen mit selbstreinigenden Eigenschaften wie Blätter der Kapuzinerkresse (Tropaeolum majus), Bätter der Lotusblume (Nelumbo nucifera), Kohlblätter leaves (Brassica oleracea), and Tulpenblätter (Tulipa spp.)
• Teile von Pflanzen mit hydrophilen Eigenschaften wie die Blätter der Rotbuche (Fagus sylvatica) oder der immergrünen Magnolie (Magnolia grandiflora)
• Wasser, dünnflüssiger Honig und/oder flüssiger Leim
• Eine Pasteurpipette mit Ballon und einige kleine Löffel
• Ketchup, gemahlener Zimt und Currypulver
• Zeitung, Küchenpaper und Textilien
• Imprägnierspray (z.B. um Wildleder wasserabweisend zu machen), selbstreinigende, nanobasierte Fassadenfarbe, Nanoüberzug für Holz oder Glas
• Optional: ein nanoversiegelter Dachziegel

Vorgehen

1. Benetze die selbstreinigenden Pflanzen mit Wasser, Honig oder Leim und überziehe sie mit Ketchup, Zimt oder Currypulver (um Schmutz zu simulieren). Was sieht man?
2. Wiederhole das Experiment mit hydrophilen Blättern. Was sieht man?
3. Untersuche jetzt die selbstreinigenden Eigenschaften künstlicher Materialien. Besprühe Textilien, Küchenkrepp und Zeitungspapier mit verschiedenen nano-versiegelnden Stoffen (z.B. Imprägnierspray, Farbe oder Nanoüberzug). Vergleiche entweder den Effekt derselben Behandlung auf verschiedene Materialien oder von unterschiedlichen Behandlungen auf dasselbe Material.
4. Wiederhole das Experiment mit diesen und anderen nanobeschichteten Materialien (z.B. Ziegel), indem Du sie anfeuchtest und beschmutzt. Was sieht man?

Diskussion

Tropft man Wasser oder Honig auf ein Lotusblatt, wird der Tropfen schnell herunterrollen. Ein genauer Blick durch ein Rastertunnelmikroskop entlarvt den Grund: viele kleine, mit Wachs überdeckte Noppen auf der Oberfläche. Diese Noppen sind etwa 10-20 µm hoch und 10-15 µm voneinander entfernt.

Wie hilft diese Struktur dem Lotusblatt, sauber zu bleiben? Erstens ist die Oberfläche des Lotusblattes hydrophob (wasserabstoßend). Die Hydrophobizität einer Oberfläche kann mit dem Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche und dem Wassertropfen quantifiziert werden: je größer der Kontaktwinkel, desto hydrophober ist die Oberfläche (siehe das Bild rechts). Oberflächen mit einem Kontaktwinkel <90° werden hydrophil genannt (“wasserliebend”); die mit einem Kontaktwinkel >90° hydrophob. Einige Pflanzen, die als superhydrophob bekannt sind, erreichen Kontaktwinkel bis zu 160°, wobei nur etwa 2-3% der Tropfenoberfläche mit der Blattoberfläche in Kontakt kommen. Das Lotusblatt ist aber nicht nur superhydrophob, sondern auch mit den zuvor erwähnten Wachsnoppen bedeckt. Diese reduzieren die Kontaktfläche des Wassertropfens weiter (man muss sich den Tropfen auf den Spitzen der Noppen sitzend vorstellen), mit dem Ergebnis, dass der Tropfen das Blatt kaum berührt (nur 0,6% Oberflächenkontakt) und leicht abläuft.

Wir haben gesehen, wie das Wasser abfließt, aber wie werden die Blätter Schmutzpartikel los? Pflanzen sind einer ganzen Reihe von Verschmutzungen ausgesetzt, von denen viele anorganisch sind (Staub oder Ruß), obwohl andere biologischen Ursprungs sind (z.B. Pilzsporen, Konidien, Honigtau oder Algen). Auf nicht benetzbaren Blättern wie der der Lotuspflanze ist nicht nur die Adhäsion von Wasser reduziert – Schmutz wird vom Wasser auch einfach abgewaschen. Das ist jedoch nicht so klar wie es scheint: Es gibt zwei unterschiedliche Typen von Schmutzpartikeln – hydrophile und hydrophobe. Hydrophile Partikel wie Schlamm werden in den Wassertropfen aufgenommen und können nicht mehr entkommen. Man sieht eine Spur auf dem Blatt wo die Tropfen die Partikel aufgenommen und abgewaschen haben.

Was passiert aber mit den hydrophoben Partikeln? Man erwartet vielleicht, dass sie auf der hydrophoben Oberfläche haften bleiben. Ein Tropfen Wasser wird diese Partikel jedoch auch entfernen. Wie geht das? Die Partikel berühren nur die äußersten Spitzen der Wachsstrukturen und da diese Kontaktfläche winzig ist, sind auch die Adhäsionskräfte zwischen Partikel und Blatt minimal. Sie sind sogar so gering, dass sogar die kleinen Adhäsionskräfte zwischen dem wasserabweisenden Partikel und Wasser stärker sind. Die Folge ist, dass anders als beim hydrophilen Partikel, das Partikel vom Tropfen aufgenommen wird, bleibt das hydrophobe Partikel auf der Oberfläche des Tropfens haften. Im Endeffekt passiert trotzdem dasselbe – er wird von der Pflanze abgewaschen.

Superhydrophobizität ist nicht auf Lotuspflanzen beschränkt: andere Pflanzen besitzen selbstreinigende Eigenschaften dank dichten Haarüberzügen, die ihre Blätter bedecken; die Flügel von Schmetterlingen haben Schuppen mit winzigen Rinnen, die Regentropfen vom Körper des Insekts ablaufen lassen, gleich ob der Flügel nach oben oder nach unten geneigt wird; und auf der Kutikula von Mistkäfern ist eine geometrische Textur eingeprägt, die sie hydrophob macht.

Welche Vorteile bringen diese selbstreinigenden Oberflächen? Seßhafte Pflanzen verteidigen sich damit gegen Mikroorganismen wie Pilze, Bakterien oder Algen. Die meisten Pflanzen bekämpfen diese Feinde chemisch mit einer großen Palette von Sekundärmetaboliten, aber das Verhindern des anfänglichen Festsetzens ist möglicherweise noch effektiver. Wenn zudem Blätter mit Schmutz überzogen sind, verhindert dies die für die Fotosynthese zur Verfügung stehende Oberfläche. Die selbstreinigenden Flügel von Schmetterlingen haben den Vorteil, dass sie kein Wasser aufnehmen und dadurch schwerer werden, was die Insekten am Fliegen hindern würde.

Menschen haben viele Technologien entwickelt, die diese hydrophoben Effekte nachahmen. Imprägniersprays beispielsweise überziehen das Material mit einem wachsähnlichen Überzug, der die Materialien hydrophob macht. Einige Fassadenfarben ahmen noch perfekter nach, indem sie beim Trocknen kleine Noppen bilden. Diese Noppen sind so wasserabweisend wie die Wachsstrukturen der Lotuspflanze mit dem Ergebnis, dass die angestrichene Oberfläche superhydrophob wird.

Danksagung

Die beiden Aktivitäten dieses Artikels wurden im Kontext eines von Astrid Wonisch geleiteten Workshops für ein Training angehender Biologielehrer entwickelt und in die Ausstellung von 2008 Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen aufgenommen.

Die Biologiestudenten Steffen Böhm und Karin Edlinger arbeiteten mit Schülern der siebten und achten Klasse (Alter 17-19 Jahre) im Biomimetikunterricht der Sekundarstufe der Schule BG/BRG, Petersgasse, Graz, einer weieterführenden Schule mit Schwerpunkt Wissenschaft und Mathematik, und den Biologielehrern der Schule, Renate Rovan und Ruth Unger, über „Adhäsion auf glatten Oberflächen: negativer Druck.“

Die Biologiestudenten Anna Freudenschuss und Ingo Fuchs arbeiteten zusammen mit Schülern einer vierten Klasse (Alter 14-15 Jahre) an der weiterführenden Schule BG / BRG Fürstenfeld, Fürstenfeld, über „selbstreinigende Effekte: Hydrophobizität in der Natur.“

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