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Selbstreinigende Materialien: Blütenrein dank Lotus-Effekt

Von Peter Forbes

Häuser sind nach einem Regen blitzsauber. Ketchup klebt nicht mehr an Hemden und Hosen. Kein Traum - Nanotechniker arbeiten tatsächlich an der Entwicklung selbstreinigender Materialien und wittern einen Milliardenmarkt. Vorbild für die High-Tech-Chemie ist mal wieder die Natur.

Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn, Entdecker und Entwickler des Lotuseffekts, hat eine Vision: Manhattan reinigt sich selbst; ein kleiner Regen genügt, um Fenster und Wände der Wolkenkratzer blitzsauber zu waschen. Anderswo sieht er Zelte und Markisen aus neuartigen Textilien, die ohne menschliches Eingreifen stets picobello bleiben. Tatsächlich gibt es schon Hemden, Blusen, Röcke und Hosen, die Ketschup, Senf, Rotwein und Kaffee abweisen.


Noch einen Schritt weiter gehen japanische Forscher: Sie entwickeln selbstdesodorierende und -desinfizierende Oberflächen, vor allem für Bäder und Krankenhäuser. Michael Rubner und Robert Cohen vom Massachusetts Institute of Technology im Cambridge können dagegen dafür sorgen, dass Spiegel im Bad nicht mehr beschlagen. Vor allem aber hoffen sie mit von ihnen erdachten Materialien den Strom von Flüssigkeiten zu steuern, die sich auf "Labors im Chip-Format" durch mikroskopisch schmale Kanäle bewegen. Kurzum: Bei den Oberflächenbeschichtungen bahnt sich eine Revolution an.

Vorbild selbstreinigender Materialien ist die anmutige Lotuspflanze (Nelumbo nucifera), botanisch Lotos genannt, die große Bedeutung für Religionen und Kultur von Indien, Birma, China und Japan hat. Sie wird dort wegen ihrer außergewöhnlichen Reinheit verehrt. Die mehrjährige Pflanze wächst in schlammigem Wasser, aber wenn sie teils meterhoch über dem Nass ihre Blätter entfaltet, scheinen diese nie schmutzig zu werden. Wassertropfen glitzern darauf in unirdischer Weise, und der Regen wäscht Schmutz vom Lotus viel schneller ab als von jeder anderen Pflanze.

Genau das weckte in den 1970er Jahren die Neugier von Barthlott. Damals faszinierte den Forscher die neu aufgekommene Rasterelektronenmikroskopie, die plastische Bilder bis in den Nanometerbereich lieferte. Bei dieser Vergrößerung können Schmutzteilchen das Bild völlig verderben; deshalb mussten die Proben gründlich gereinigt werden. Wie Barthlott bemerkte, war das bei manchen Pflanzen - darunter dem Lotus - jedoch nicht nötig.

Der Bonner Wissenschaftler fragte sich nach dem Grund und fand heraus, dass der Effekt auf zwei Besonderheiten der Blattoberfläche beruht: einer Wachsschicht und winzigen, nur wenige Mikrometer dicken Noppen. Schon das Wachs allein sollte bewirken, dass die Blätter hydrophob sind, also Wasser abstoßen. Feuchtigkeitstropfen sind dadurch schmal und hoch, damit sie möglichst wenig Kontakt mit der Oberfläche haben. Auf einer hydrophilen Substanz breiten sie sich dagegen flach aus, um die Berührungsfläche zu maximieren. In diesem Fall beträgt der Winkel, unter dem der Tropfen auf das Material trifft, weniger als 30 Grad, wogegen er auf einer hydrophoben Fläche bei 90 Grad und mehr liegt.

Die zahllosen Wülste verstärken, wie Barthlott erkannte, den Effekt noch wesentlich. Dadurch wird das Lotusblatt superhydrophob mit einem Kontaktwinkel von über 150 Grad. Wasser bildet dann fast kugelförmige Tropfen, die wie Bälle abrollen. Es sitzt dabei oben auf den Beulen - wie ein Mensch auf einem Nagelbett. Die Luft, die zwischen dem Wasser und dem Blatt um die Buckel herum eingeschlossen ist, erhöht den Kontaktwinkel; diesen Effekt haben A.B.D. Cassie und S. Baxter schon in den 1940er Jahren entdeckt und in eine mathematische Gleichung gefasst.

Barthlott bemerkte, dass auch der Schmutz nur die Spitzen der Beulen auf dem Lotusblatt berührt. Regentropfen können ihn deshalb sehr leicht benetzen und dazu bringen, mit ihnen vom Blatt herunterzurollen. Dass mikroskopische Beulen der Reinlichkeit dienen, ist ausgesprochen paradox. Normalerweise setzt sich Schmutz an Unebenheiten fest, weshalb sich glatte Flächen besser sauber halten lassen.

Als Botaniker erkannte Barthlott das enorme kommerzielle Anwendungspotenzial seiner Beobachtung nicht gleich. Erst in den 1980er Jahren wurde ihm klar, dass sich ein vielseitig nutzbarer künstlicher Lotuseffekt erzeugen ließe, wenn es gelänge, Gegenstände mit einer genoppten, wachsartigen Schicht zu überziehen. Später meldete er die Idee, Flächen mit mikroskopischen Erhebungen zu versehen, um sie selbstreinigend zu machen, zum Patent an und ließ den Begriff "Lotus-Effekt" als Markenzeichen eintragen.

Ein Objekt so zu beschichten, dass es superhydrophob wird, war allerdings nicht leicht. Trotzdem gelang es Barthlott in den frühen 1990er Jahren, in Eigenproduktion einen Löffel zu kreieren, von dessen genoppter Silikon-oberfläche Honig ohne Rückstände abtropfte. Dieses Produkt überzeugte schließlich einige große Chemiefirmen von der technischen Umsetzbarkeit der Idee. Mit ihren leistungsstarken Forschungsabteilungen fanden sie bald weitere Möglichkeiten, den Lotuseffekt zu nutzen.

Die bislang führende Anwendung ist der Fassadenanstrich Lotusan. 1999 von der Sto AG auf den Markt gebracht, wurde er ein großer Erfolg. Der Lotuseffekt ist heute in Deutschland ein allgemein bekannter Begriff. Im Oktober 2007 zählte die Zeitschrift "Wirtschaftswoche" seine kommerzielle Nutzung zu den 50 bedeutendsten "Innovationen, um die uns die Welt beneidet".

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Forum - Diskussion über diesen Artikel
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1. Wie schon im Artikel steht ...
eerleser 09.08.2009
... eigentlich nichts Neues. Seit fast 2 Jahrzehnten bekannt und doch tut sich eigentlich nichts wirklich. Warum? Die Wirtschaft wittert nicht einen Milliardenmarkt sondern ein Milliardenverlust! Wer braucht dann noch die Unmengen an Reinigungsmittel, neue Farbe, Desinfektionsmittel ...??? Was wird aus der Abfall- und Recyclingindustrie, aus Klärwerken, aus Henkel, IG Farben usw.? Die Patente liegen sicher schon geschützt in Schubladen der großen Konzerne und Ölmultis dieser Welt. Und erst wenn der Ölmarkt am Ende ist und sich der Reichtum nicht mehr vermehren lässt, dann wird der Joker aus der Lade gezogen. Es geht nicht um Entwicklung, um Umweltschutz, um das Allgemeinwohl, es geht um Macht und Reichtum einzelner. Ähnlich wird es bei alternativen Autoantrieben, beim 1-Liter-Auto, bei Solarstrom, Akkus, Krebs- und Malariaforschung, der weltweiten Ernährung usw. usf. sein! Hoffen wir für uns alle, das es Forscher und Unternehmer mit Gewissen gibt. Leider verdirbt Geld allzuoft den Charakter.
2. Na ja, man wird sehen...
MattBlu 09.08.2009
Zitat von sysopHäuser sind nach einem Regen blitzsauber. Ketchup klebt nicht mehr an Hemden und Hosen. Kein Traum - Nanotechniker arbeiten tatsächlich an der Entwicklung selbstreinigender Materialien und wittern einen Milliardenmarkt. Vorbild für die High-Tech-Chemie ist mal wieder die Natur. http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/0,1518,640664,00.html
Asbest ist auch einmal als die Lösung aller Probleme verkauft worden. Geblieben ist es nur als teures Problem. Die Frage ist, welche Spätfolgen der Umgang mit Nanopartikeln haben kann, denn die sind schließlich so klein, daß sie körpereigene Schutzmechanismen schlicht und einfach umgehen könnten. Welche Auswirkungen das hat, kann man ohne entsprechende Forschung in keiner Weise vorhersagen.
3. Zuviele Alchemisten
Skepper, 09.08.2009
Ein weiteres großes Problem in der Verbreitung von nanoskaligen Oberflächenmodifikationen sind die zahlreichen Trittbrettfahrer und Hinterhoffirmen, die mit alchemistisch anmutenden Produkten dem geneigten Käufer das Geld aus der Tasche ziehen. Von 100 Firmen, die Google ausspuckt, sind 95 Fakes oder Betrüger, die Fluorcarbone, Silikonbeschichtungen oder Acryle als Nanotechnologie verkaufen und den Markt ruinieren. Und das Thema Nanopartikel wird nur von wenigen untersucht. Hervorzuheben sind die Veröffentlichungen von Oberstdörfer et al, und dem Arbeitskreis Nanocare an de rTU Karlsruhe (Prof. Krug), aber auch an der ETH Zürich wird an dem Thema geforscht.
4. und was passiert nachher damit?
kubitus 09.08.2009
gibt es Untersuchungen die zeigen, was diese Materialien an Sammelkosten, Recycling und/oder Endlagerung kosten? Wie sieht es mit den biologischen Risken aus? Asbest war auch ein verdammt gutes Dicht- und Isoliermaterial bis man auf seine krebserregende Wirkung durch seine Form draufkam!
5. Scheinbar gut informiert
Herr-Bert 09.08.2009
Zitat von SkepperEin weiteres großes Problem in der Verbreitung von nanoskaligen Oberflächenmodifikationen sind die zahlreichen Trittbrettfahrer und Hinterhoffirmen, die mit alchemistisch anmutenden Produkten dem geneigten Käufer das Geld aus der Tasche ziehen. Von 100 Firmen, die Google ausspuckt, sind 95 Fakes oder Betrüger, die Fluorcarbone, Silikonbeschichtungen oder Acryle als Nanotechnologie verkaufen und den Markt ruinieren. Und das Thema Nanopartikel wird nur von wenigen untersucht. Hervorzuheben sind die Veröffentlichungen von Oberstdörfer et al, und dem Arbeitskreis Nanocare an de rTU Karlsruhe (Prof. Krug), aber auch an der ETH Zürich wird an dem Thema geforscht.
Leider kennen Sie sich in diesem Bereich nur wenig aus. Es wird gerade viel geforscht, um die HSE-Risiken möglichst gut voraussagen zu können. Wo es teilweise verwirrungen gibt ist die Begrifflichkeit "Nanotechnik" handelt es sich hierbei um dünne Schichten oder Partikel oder...? Es ist nicht sauber definiert und daher können Sie allerlei Sachen über die Nanotechnologie finden. Fakt ist aber das die Kolloidchemie schon eine der älteren Disziplinen ist und was heute alles so unter "Nano" verkauft wird alte Hüte sind. Einen großen Teil dieser Sachen nannte man vor 20 Jahren noch Kolloide oder es hatte etwas mit Sol-Gel-Chemie zu tun. Es wäre aber falsch anzunehmen, dass sich in den letzten 20 Jahren nichts getan hätte. Es gibt viele Anwendungen der Nanotechnologie ohne dass sie genauer benannt sind. Denken Sie mal an Goldrubingläser. Die Farbe des Glases stammt von Goldkolloiden oder Goldnanopartikeln, die im Glas vorhanden sind. Wenn Sie einen LCD-Fernseher haben, dürften die Pigmente auch so eine durchschnittliche Größe von um die 100 nm haben. Titandioxidanwendungen zum Sonnenschut auch hier wird sehr viel geforscht. Oder glauben Sie, dass die Produzenten morgen die Schlagzeile lesen wollen Sonnencreme XY verursacht XY. Also man macht sich schon Gedanken bei der Entwicklung. Das dabei auch Fehler vorkommen ist nun einmal so. Nur der der sich nicht bewegt macht keine Fehler wird aber wohl auch keine neuen Produkte haben. Ach so ja im Computer wird ja auch je nach Definition Nanotechnologie verwendet.....
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