Arbeitsblatt: Der Lotuseffekt

Der Lotus-Effekt Einleitung Der Lotus-Effekt ist eine Jahrtausend alte Erfindung der Natur. Die Heilige Lotusblume gilt in den asiatischen Religionen als Symbol der Reinheit: Makellos sauber entfalten sich die Blätter aus dem Schlamm der Gewässer. Dieses Phänomen wurde im Detail untersucht. Der Lotus-Effekt bezieht sich auf die äußerst geringe Benetzbarkeit und hohe Selbstreinigung biologischer Oberflächen. Nach jedem Regen präsentieren sich die Blätter der Lotuspflanze sofort wieder sauber und trocken. Sie sind nicht mit Wasser benetzbar – aufliegende Schmutzpartikel perlen mit dem Regen ab. Auch andere Pflanzen, wie beispielsweise die Kapuzinerkresse, Kohl, Taro, Tulpe und Banane zeigen diesen Effekt. Der wichtigste Grund für den Lotus-Effekt in der Natur ist der Schutz gegen krankmachende Keime, wie z. B. Bakterien und Pilzsporen. Diese werden regelmässig durch Regen von den Blättern entfernt. Ausserdem ist ohne Schmutz auf den Blättern die Lichtausbeute für die Photosynthese optimal. Da der Lotus-Effekt ausschließlich auf einer physikalisch-chemischen Grundlage beruht und nicht an ein lebendes System gebunden ist, kann eine selbstreinigende Oberfläche technisch hergestellt werden. Die Selbstreinigung superhydrophober mikro- bis nanostrukturierter Oberflächen wurde von W. Barthlott 1975 an der Universität Heidelberg an Pflanzen (damals Kapuzinerkresse) entdeckt und aufgeklärt. Erst mit Beginn der 90er Jahre konnte an der Universität Bonn von W. Barthlott dieses physiko-chemische Phänomen mit seinem Mitarbeiter Christoph Neinhuis (später Zdenek Cerman und andere) technisch umgesetzt werden. Als Markenbezeichnung für die patentierten selbstreinigenden superhydrophoben mikro- bis nanostrukturierten Produkte wurde von W. Barthlott die Bezeichnung Lotus-Effect erfunden und 1997 angemeldet. Colocasia esculenta (Wasserbrotwurzel, Taro) und Brassica oleracea var. sabellica (Ostfriesischer Federkohl) – Zwei Pflanzen die den Lotus-Effekt zeigen Colocasia esculenta Colocasia esculenta ist eine Pflanze aus der Familie der Aronstabgewächse (Araceae), die seit mehr als 2000 Jahren als Nutzpflanze kultiviert wird. Ein anderer Name für Colocasia esculenta ist Wasserbrotwurzel oder Taro. Die ausdauernde Sumpfpflanze benötigt humose, tiefgründige Böden und feuchtwarmes Klima. Die Taro-Pflanze ist eine der wichtigsten Stärkelieferanten für die Bevölkerungen tropischer Länder. Auch wenn ihre Bedeutung nicht die des Manioks (Manihot esculenta) erreicht, so liegt die Weltproduktion doch bei ca. 5 Millionen Tonnen. Die Knollen werden nach dem Schälen in Salzwasser gewaschen und lassen sich etwa so wie Kartoffeln kochen. Das Kochwasser muss unbedingt einmal gewechselt werden denn wie viele Araceen, enthalten Taroknollen in den Zellen Raphide. Das sind nadelfeine Kristalle aus Calciumoxalat, die schleimhautreizend wirken. Sie können beim Verzehr ein Kratzen in Mund und Hals verursachen und in einigen Fällen sogar zu Verdauungsstörungen führen. Beim Kochen lösen sich die Stoffe aber und gehen in das Kochwasser über. Taroknollen können aber auch gegrillt, gebacken oder fritiert werden. Manchmal werden die Knollen auch in Scheiben geschnitten und in der Sonne zum Trocknen ausgelegt. In den Anbauländern werden auch die jungen Blätter und Blattstiele (Karibenkohl genannt) als Gemüse verwendet und wie die Knollen zweimal gekocht, um die Reizstoffe auszuschwemmen. Der hohe Stärkeanteil macht die Taroknolle schließlich noch zu einem Gemüse, aus dem sich Alkohol herstellen lässt. In Afrika wird daraus der fufu und auf Hawaii der poi hergestellt. Brassica oleracea var. Sabellica Der ostfriesische Federkohl (Brassica oleracea var. Sabellica) ist eine der vielen Variationen des Gemüsekohls (Brassica oleracea). Die Gattung Kohl (Brassica) ist mit vielen Arten in den gemäßigten Breiten der Alten Welt beheimatet. Sie ist eine der ältesten Nutzpflanzen, die in vielfältigen Formen und Variationen der Ernährung dient. Alle Arten sind verwendbar, aber nicht alle wurden und werden genutzt. In Asien entdeckte man früh die Gattung Brassica als auch im Winter genügend Kalzium liefernde Nahrungsmittel. Außer zu Nahrungszwecken finden die Blätter des Kohls auch medizinische Anwendung, indem sie auf offene Wunden gelegt werden. Experimente zum Lotus-Effekt Versuch 1 – Benetzbarkeit Um zu zeigen, dass Colocasia- und Kohl-Blätter den Lotus-Effekt zeigen, lassen wir Wasser bzw. Honig darüber laufen. Ergebnis: Die Blätter sind nicht benetzbar. Das Wasser perlt ab bzw. bildet schöne runde Tropfen. Sogar Honig bleibt nicht am Blatt haften und bildet runde Tropfen die langsam vom Blatt rollen. Versuch 2 – Selbstreinigung Pflanzen sind von Natur aus unterschiedlichen Verschmutzungen ausgesetzt. Diese können anorganischer Natur (ver. Stäube, Russ) oder biologischen Ursprungs (Pilzsporen, Konidien) sein. Auf rauen, unbenetzbaren Blättern ist nicht nur die Adhäsion von Wasser verringert, sondern auch die von Schmutz. Rollt ein Tropfen über die nur lose aufliegenden Partikel hinweg, dann werden sie vom Wasser benetzt und haften an der Tropfenoberfläche. Durch die sehr geringe Adhäsion an die Oberfläche werden die Partikel mitgerissen und vom Blatt entfernt. Wir bestäuben ein Colocasia-Blatt mit rotem Kreidepulver und lassen einen Tropfen Honig darüber laufen. Ergebnis: Der Honig-Tropfen rollt vom Blatt und die Kreidepartikel bleiben an seiner Oberfläche haften. Dadurch wird das Blatt gereinigt. Versuch 3 – Veränderung durch Tenside Die Unbenetzbarkeit und Selbstreinigungsfähigkeit hängt bei Pflanzen vom Vorhandensein einer intakten Wachsschicht ab. Wird diese zerstört, gehen diese Fähigkeiten verloren. Tenside (Netzmittel, z.B. Seife) sind Substanzen, die auf der einen Seite eine hydrophile und auf der anderen Seite eine hydrophobe Gruppe besitzen. Sie können auf diese Weise Öl in Wasser emulgieren und setzen gleichzeitig die Oberflächenspannung herab. Wir bestreichen die eine Hälfte eines Colocasia-Blattes mit Seifenwasser und lassen es trocknen. Anschliessend lassen wir einen Tropfen von der nicht bestrichenen Seite in die Seifen-Seite laufen. Ergebnis: Sobald der Tropfen auf die Seifen-Seite trifft, verliert er seine runde Form und das Blatt wird nass. Versuch 4 – Nachbau einfacher Oberflächen Der Lotus-Effekt beruht auf einer hydrophoben, aufgerauten Oberfläche. Hält man einen Glasobjektträger über eine Kerzenflamme, wird er mit einer Russschicht bedeckt. Russ enthält immer eine gewisse Menge unverbrannten Paraffins, das hydrophobe Eigenschaften besitzt. Ausserdem verteilt er sich nicht gleichmässig auf dem Glas, sondern bildet eine unregelmässige raue Oberfläche, die wasserabstossend und selbstreinigend ist. Wir berussen einen Glasobjektträger und lassen einen Honig- bzw. Wassertropfen über die beschichtete Oberfläche laufen. Ergebnis: Der Honig- bzw. Wassertropfen rollt über die russige Oberfläche und entfernt dabei aufliegende Russpartikel. Sobald der Tropfen das unbeschichtete Glas erreicht, benetzt er die Oberfläche und rollt nicht mehr weiter. Die Videos zu den Versuchen können Sie auf Itemid82 ansehen. Literaturverzeichnis