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Bionik Ein perfekter Nässeschutz

 ·  Die Natur stand Pate: Forscher aus Dresden haben eine robuste künstliche Oberfläche geschaffen, die dem Panzer der Springschwanz nachempfunden ist. Ein Wassertropfen findet darauf keinen Halt und perlt sofort ab.

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Der Springschwanz (Collembola), ein etwa vier Millimeter großer Bodenbewohner, atmet durch seine Haut. Selbst bei Regen und in feuchtem Erdreich bleibt eine Lufthülle auf der Körperaußenhülle erhalten, die die Atmung ermöglicht. Zu verdanken hat der kleine Hexapode das im wesentlichen der besonderen Struktur seiner Haut. Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop offenbaren, dass die Oberfläche des Springschwanzes mit kleinen Erhebungen besetzt ist, die recht gleichmäßig angeordnet sind (siehe Abbildung oben). Überzogen sind diese kleinen Hügel mit winzigen Papillen, deren Abmessungen gerade einmal einen halben Mikrometer betragen.

Materialforscher des Leibniz-Instituts für Polymerforschung in Dresden haben diesen Aufbau studiert und Folien aus Kunststoff davon abgeformt. Die Replika aus Polyethylenglykol-diacrylat sehen der Springschwanzhaut recht ähnlich (siehe Abbildung unten). Wie Carsten Werner und seine Kollegen in der Zeitschrift „NPG Asia Materials“ (doi: 10.1038/am. 2012.66) berichten, erweisen sich diese Folien als äußerst wasserabstoßend, obwohl sie aus einem eigentlich gut benetzbaren Polymer bestehen.

Ein Frage des Winkels

Ein aufgebrachter Wassertropfen nimmt einen Kontaktwinkel von etwa 140 Grad ein, weshalb er auf der Oberfläche kaum haften kann. Das Material ist damit äußerst hydrophob. Glatte Filme des Kunststoffs lassen einen Wassertropfen nicht abperlen, der Kontaktwinkel beträgt hier nur 56 Grad.

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© Leibniz-Institut für Polymerforschung, Dresden Vergrößern Ein Springschwanz etwa vier Millimeter groß.

Die Forscher um Werner haben eine zweite Sorte Polymerfolien hergestellt, die allerdings nur die kleinen Hügel der Springschwanzhaut aufweisen, also nicht die feine Papillenstruktur. Versuche zeigten, dass dieses Material sich komplett mit Flüssigkeit überzieht, wenn man es in Wasser taucht. Offenbar ist es gerade die Papillenstruktur, die für die wasserabstoßende Eigenschaft verantwortlich ist. Experimente und Simulationen haben einstimmig belegt, dass unter den Rändern der Papillen, die durch Stege miteinander verbunden sind, winzige Luftkammern hängen, die einer kompletten Benetzung mit Wasser entgegenwirken. Erst unter hohem Druck dringt eine Flüssigkeit auch in diese Bereiche vor.

Kein Halt für Waseertropfen

So schützt offenkundig eine ausgeklügelte und hierarchisch strukturierte Oberfläche den Springschwanz davor, dass sich seine Haut vollständig mit Wasser überzieht und das Tier erstickt. Die wasserabstoßende Wirkung des Replikats haben die Wissenschaftler noch weiter verstärken können, als sie die Folien mit Teflonpartikeln bedeckten. Der Kontaktwinkel eines Wassertropfens beträgt dann fast hundertfünfzig Grad.

Das Verhalten der Kunststofffolien ist auf den ersten Blick dem bekannten Lotuseffekt vergleichbar und damit von großem Interesse für technische Anwendung, etwa zur Herstellung nicht benetzbarer Oberflächen und selbstreinigender Materialien. Die als Vorbild für bionische Anwendungen geltende Lotuspflanze schützt ihre Blätter dadurch vor Benetzung, dass sie ein Wachs absondert, das in einer feinen Säulenstruktur erstarrt. Diese Säulen sind allerdings recht fragil. Der Pflanze bereitet das keinerlei Schwierigkeiten, da sie kaum mechanischer Beanspruchung ausgesetzt ist und den Schutz nach Verletzung selbst repariert.

Das  Lotusblatt als großes Vorbild

Künstlich gefertigte Lotusstrukturen aus Metallen oder Kunststoffen für technische Produkte, die selbstreinigende und wasserabstoßende Oberflächen besitzen, begegnet man zum Beispiel bei Fassadenfarben oder bei Gläsern. Viele Anwendungen, bei denen es zu einer stärkeren mechanischen Beanspruchung kommt, bedürfen jedoch anderer robusterer Lösungen. Daher suchen die Materialwissenschaftler in der Tier- und Pflanzenwelt nach anderen Prinzipien für Oberflächen, die unter Wasser Luftschichten halten können.

Vielseitige Springschwanz-Replikate

Im Vergleich zur Lotusstruktur sind die Kunststofffolien von Carsten Werner und seinen Kollegen mechanisch äußerst stabil. Die über Stege verbundenen Papillen können nicht so leicht zerstört werden. Außerdem gelten die Folien als omniphob: Während der abweisende Effekt beim Lotusblatt auf Wasser beschränkt ist, lassen die Springschwanz-Replikate auch organische Substanzen oder wässrige Lösungen von Tensiden abperlen.

Robuste Oberflächen

Damit sind sie besonders interessant für Beschichtungen von chirurgischen Instrumenten oder medizinischen Artikeln wie Kathetern. Diese kommen leicht mit Biofluiden in Kontakt, welche grenzflächenaktive Substanzen enthalten. Katheter etwa müssen deshalb vor einer Besiedlung mit gefährlichen Mikroorganismen geschützt werden. In weiteren Versuchen wollen die Forscher um Werner nun größere Flächen nach dem Vorbild der Springschwanzhaut strukturieren. Dazu will man feine Laserstrahlen verwenden, die die Kunststoffoberflächen zuverlässig und rasch mit den gewünschten feiStrukturen versehen.

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