Von Peter Forbes
Millionen von Jahren vor der technischen Verwertung von Lotuseffekt und Superbenetzbarkeit nutzte ein kleiner Käfer in der Wüste Namib beides schon für einen ganz anderen Zweck: das Sammeln von Wasser. In der extrem trockenen und heißen Küstenregion in Südwestafrika sind dicke Morgennebel, die eine steife Brise vom Meer herantreibt, praktisch die einzige Feuchtigkeitsquelle. Der Käfer aus der Gattung Stenocara hält mit geducktem Kopf seinen emporgereckten Hinterleib in den Nebelwind. Die Feuchtigkeit kondensiert auf seinem Rückenpanzer und rinnt in sein Maul. Nach dem Vorbild von Stenocara wollen Wissenschaftler nun Verfahren zur Wassergewinnung in Trockengebieten entwickeln.
Wie so oft wurde der vom Käfer genutzte Mechanismus von einem Forscher entdeckt, der eigentlich etwas anderes suchte. Im Jahr 2001 fiel dem Zoologen Andrew R. Parker, damals an der University of Oxford (England), ein Foto in die Hände, auf dem Käfer in der Namib-Wüste eine Heuschrecke fressen. Von den starken Winden in der Region herangetragen, hätte das Insekt im heißen Sand ohnehin nicht lange überlebt. Doch die Käfer, die sich an diesem wahrhaftigen Geschenk des Himmels gütlich taten, fühlten sich in dem Backofen anscheinend pudelwohl. Parker vermutete, dass sie über eine ausgeklügelte Hitze reflektierende Panzerbeschichtung verfügen müssten.
Tatsächlich reflektieren Stenocara-Käfer die Hitze, aber als der Forscher sie untersuchte, entdeckte er noch viel mehr. Der Rücken des Tiers besteht größtenteils aus einer wachsartigen, superhydrophoben Fläche mit vielen mikroskopisch kleinen Beulen. Außerdem aber weist er mit bloßem Auge sichtbare Erhebungen auf, deren Spitzen wachsfrei und hydrophil sind. Deshalb ziehen sie Feuchtigkeit aus dem Nebel an. Schwerkraft und die hydrophobe Umgebung sorgen dann für den Abtransport der sich bildenden Tröpfchen. In Laborversuchen mit Glasplättchen fand Parker heraus, dass diese Anordnung etwa doppelt so effizient ist wie eine glatte, einheitliche Oberfläche, sei sie nun hydrophil oder hydrophob.
Der Forscher hat sich eine künstliche Nachbildung des Käferrückens patentieren lassen, und die Firma Qinetiq, welche im Dienst des britischen Verteidigungsministeriums steht, ist dabei, daraus ein technisches Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus Nebel in Trockengebieten zu entwickeln. Auch andere versuchen sich an der Nachahmung von Stenocara. So stellte das Team von Rubner und Cohen 2006 superhydrophobe Multischichtsysteme mit superhydrophilen Flecken aus Siliziumdioxid her. Das übertrifft den Käfer sogar; denn dessen Höcker sind nur schlicht hydrophil.
Das Jonglieren mit Superhydrophobie und -philie erlaubt auch die Steuerung von Flüssigkeitsströmen im Mikro- und Nanobereich. Daraus ergeben sich Anwendungen weit über das Reinhalten von Materialien hinaus. "Die Tatsache, dass strukturierte Flächen je nach den chemischen Bedingungen superhydrophob oder superhydrophil sein können", erklärt Rubner, "eröffnet eine Vielzahl unterschiedlichster Möglichkeiten." Besonders nützlich wären Materialien, deren Benetzbarkeit an definierten Stellen umgekehrt werden kann.
Ein solches Umschalten ließe sich mit vielen Mitteln erreichen: UV-Licht, Elektrizität, Temperatur, Lösungsmittel und Azidität. Im Jahr 2006 bewies eine Gruppe unter Kilwon Cho von der Universität Pohang in Südkorea die Machbarkeit der Idee, indem sie ein Derivat des Moleküls Azobenzol in die superhydrophobe Silikonoberfläche eines Multischichtsystems aus Polyelektrolyt und Silizium-dioxid einbaute. Die neue Fläche ist ebenfalls superhydrophob, wird bei Bestrahlung mit UV-Licht aber superhydrophil, weil das Azobenzol dann seine Konfiguration ändert. Sichtbares Licht macht den Vorgang rückgängig.
Von dieser Art der Kontrolle könnte die Mikrofluidik profitieren. Das gilt etwa für Mikroarrays, wie sie heute beim Wirkstoff-Screening und anderen biologischen Tests zum Einsatz kommen (Spektrum der Wissenschaft 9/2008, S. 96). Darin könnte man Kanäle schließen oder öffnen, indem man ihre Oberfläche lokal zwischen hydrophob und hydrophil umschaltet.
Für Barthlott, der das Potenzial hinter den Wassertropfen auf Lotusblättern erkannte, hat sich der Horizont für Anwendungen des von ihm entdeckten Effekts fast grenzenlos erweitert. Es überrascht nicht, dass er leidenschaftlicher Anwalt der Artenvielfalt ist. Schließlich könnten zahlreiche Pflanzen und Tiere nützliche Eigenschaften haben - darunter Arten, die noch unbekannt und vom Aussterben bedroht sind.
Gegenwärtig forscht Barthlott über Superhydrophobie unter Wasser. Grundlage waren Untersuchungen darüber, auf welche Weise Pflanzen wie der Wassersalat Pistia und der Schwimmfarn Salvinia Luft auf ihren Blatt-oberflächen einfangen. Nach deren Vorbild hat der findige Bonner Wissenschaftler Gewebe hergestellt, die unter Wasser vier Tage lang trocken bleiben. Ein Badeanzug, der nicht nass wird, scheint also in Reichweite. Der große Wurf aber wäre es, wenn sich auf diese Weise der Gleitwiderstand von Schiffsrümpfen verringern ließe. Statt des sonst üblichen Schmutzes häuft das Lotusblatt, wie es scheint, Gold in Form lukrativer Patente an. l
Auf anderen Social Networks posten:
HilfeLassen Sie sich mit kostenlosen Diensten auf dem Laufenden halten:
| alles aus der Rubrik Wissenschaft | Twitter | RSS |
| alles aus der Rubrik Natur | RSS |
© SPIEGEL ONLINE 2009
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH
Wetter
