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Der Lotuseffekt bezieht sich auf die äußerst geringe Benetzbarkeit und hohe Selbstreinigung biologischer Oberflächen, unter anderem bei der Lotuspflanze. Auf der Blüte und den Blättern wird selbst extrem gut haftendes Farbpulver von Wasser einfach weggespült, nicht einmal Klebstoff auf Wasserbasis bleibt an der Oberfläche haften. Auch andere Pflanzen, wie beispielsweise die Kapuzinerkresse, Kohl, Schilfrohr, Akelei, Tulpe und Banane zeigen diesen Effekt.

Ursache

Nachdem der Botaniker Prof. Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn feststellte, dass manche Pflanzen im Herbarium häufig schmutzig waren, wogegen Individuen anderer Arten während vieler Jahre stets sauber blieben, untersuchte er dieses Phänomen genauer und beschrieb dessen physikochemische Grundlagen zusammen mit C. Neinhuis in den 1990er Jahren.

Wassertropfen haben wie alle Flüssigkeiten die Tendenz zur Minimierung ihrer Oberfläche in Form einer Kugel. Dem wirken Erdanziehung und Adhäsion entgegen, letzteres jedoch in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung.

Die Ursache des Effekts liegt in der besonderen Oberflächenstruktur der Pflanzen. Die Epidermis bildet dabei etwa fünf bis zehn Mikrometer hohe und zehn bis fünfzehn Mikrometer voneinander entfernte Noppen, denen eine Cuticula aufgelagert ist. Sie besteht aus einem Grundgerüst von Polymeren wie Cutin und den darin eingelagerten hydrophoben Wachsen.

Durch die Oberflächenstruktur der Pflanzen werden gegenüber Wasser Kontaktwinkel von bis zu 160° erreicht (Superhydrophobie). Das bedeutet, dass nur etwa 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche mit der Oberfläche der Pflanze in Kontakt stehen, diese also eine extrem geringe Benetzbarkeit besitzt. Die Adhäsion zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen ist dabei so gering, dass das Wasser leicht abperlen kann. Aufliegende Schmutzpartikel – die ebenfalls nur eine kleine Kontaktfläche besitzen – werden dadurch mitgerissen und weggespült. Durch die zentrale Bedeutung der Oberflächenspannung wässriger Lösungen für die Minimierung der Kontaktfläche wird verständlich, dass der Lotuseffekt in dieser Form nicht bei stark benetzenden Lösungsmitteln auftreten kann.

Die Voraussetzung zur Reproduzierung des Effekts sind daher mikro- und nanostrukturierte, super-hydrophobe Oberflächen (5-20 μm hoch und 5-50 μm voneinander entfernt, 1 μm = $10^\{-6\}$ m).

Biologische Bedeutung

Die biologische Bedeutung dieses Effekts liegt für die Pflanze im Schutz vor einer Besiedlung durch Mikroorganismen, Krankheitserregern oder Keimen, beispielsweise Pilzsporen, oder dem Bewuchs mit Algen. Dies gilt in ähnlicher Weise für Tiere wie Schmetterlinge, Libellen und andere Insekten, die mit ihren Beinen nicht überall an ihren Körper zum Säubern hinreichen.

Eine weitere positive Wirkung des Lotuseffekts ist die Verhinderung von Verschmutzungen, die den Lichteinfall vermindern und Spaltöffnungen verschließen könnten.

Anwendungen

Im Jahr 1995 wurde das Patentierungsverfahren durchgeführt und erste Kooperationsverträge mit der Industrie abgeschlossen. Eingeführt wurde der Begriff Lotus-Effect 1997 in einem Fachartikel in der Zeitschrift PlantaWilhelm Barthlott, Christoph Neinhuis: The purity of sacred lotus or escape from contamination in biological surfaces. In: Planta. 1/202/1997, S. 1-8. Springer, Berlin, Heidelberg, , Inhaltsangabe.

Es ist mittlerweile gelungen, die Oberflächenstruktur künstlich nachzubilden. Kommerzielle Produkte sind selbstreinigende Dachziegel und eine selbstreinigende Fassadenfarbe („Lotusan“). Es ist auch gelungen, einen Autolack mit Lotuseffekt herzustellen, leider sind die optischen Eigenschaften wirtschaftlich unerwünscht, der Lack wirkt wegen der erhöhten Rauheit zu matt. Aus dem Bereich der Nanotechnologie gibt es mittlerweile ebenfalls Beschichtungen, die superhydrophob sind. Diese Oberflächen sind zwar wasserabweisend, jedoch nicht selbstreinigend, sondern easy-to-clean. Es gibt auch Spray-Beschichtungen, die solche Nano-Strukturen ausbilden. Werden diese Beschichtungen auf bereits entsprechend mikrostrukturierte Oberflächen aufgebracht, kann ein Lotuseffekt erzielt werden.

Siehe auch: Bionik

Quellen