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Lotuseffekt : Die Natur als Nanotechnologe

  • -Aktualisiert am

Auf der Oberfläche des Lotusblattes finden Wassertropfen keinen Halt. Bild: http://futureprospects.wordpress.com/2010/05/17/the-lotus-effect/

Nicht nur Pflanzen schützen sich mit ihren wasserabweisenden Oberflächen vor Nässe und Schmutz. Auch Insekten und Vögel, die in feuchten Gefilden zu Hause sind, nutzen den Lotuseffekt.

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          Der Lotuseffekt ist das bekannteste Beispiel für angewandte Nanotechnik in der Natur: Mikroskopisch kleine Noppen auf den Blättern der Lotospflanze lassen Wasser einfach abperlen, wobei die Tropfen praktischerweise auch kleine Schmutzpartikel mitnehmen. Doch nicht nur Pflanzen, auch Tiere, die in nasser Umgebung heimisch sind, wappnen sich mit wasserabweisenden Oberflächen. Genauer unter die Lupe genommen wurden kürzlich Entenfedern und die langen Beine der Schnaken, auch Stelzmücken genannt.

          Schnaken lieben feuchtes Milieu

          Mit ausgestreckten Beinen sind diese Insekten - nicht zu verwechseln mit Stechmücken - oft mehr als handtellergroß. Als erwachsene Tiere nehmen sie, wenn überhaupt, nur etwas Nektar zu sich. Ihre wurmförmigen Larven ernähren sich meistens von verrottenden Pflanzenteilen und wachsen vorwiegend in ziemlich feuchten Böden oder sogar unter Wasser heran. Aus der Puppenhülle geschlüpft, kommen die Schnaken ebenfalls häufig mit Wasser in Berührung. Sei es, dass sie sich auf regennassen Pflanzen niederlassen, mit herabhängenden Beinen dicht darüber hinwegfliegen oder ihre Eier darauf ablegen. Eine leicht benetzbare Oberfläche wäre in solchem Ambiente fatal, denn mit nassen Flügeln könnte die Schnake nicht mehr fliegen, und, wenn die Beine in Kontakt mit Wasser geraten, womöglich nicht einmal mehr davonkrabbeln.

          Ungewöhnlich lang sind die Beinchen der Schnake ( Nephrotoma  australasiae)

          Borsten, die das Wasser abweisen

          Wissenschaftler von der James Cook University in Townsville, Queensland, wählten als Forschungsobjekt die australische Schnake Nephrotoma australasiae, die nahe verwandt ist mit einigen hiesigen Schnaken. Wenn auf Beine oder Flügel dieses Insekts ein Wassertropfen gerät, wird er kugelrund und kullert deshalb leicht herab. Auch wenn die Schnakenbeine auf eine Wasserfläche geraten, bleiben sie völlig trocken, ähnlich wie die Beine der als Wasserläufer bekannten Wanzen, berichten Hsuan-Ming Hu und Jolanta Watson in „The Journal of Experimental Biology“ (Bd. 214, S. 915). Was Schnakenbeine so wasserabstoßend macht, haben Untersuchungen mit dem Raster-Elektronenmikroskop gezeigt: Zwischen zahlreichen kleinen, mehr oder minder stark gekrümmten Härchen sitzen etliche mehrfach so große Haare. Diese schräg abstehenden Borsten, kerzengerade und knapp einen Zehntel Millimeter lang, sind die ersten, die mit einer Wasserfläche in Kontakt kommen. Dass sie die Wasseroberfläche eindellen, aber nicht darin eintauchen, verdanken sie schmalen Rippen, die sich von der Basis bis zur Spitze ziehen.

          Kunstharz liefert den  Beweis

          Dass es offenkundig auf diese Mikrostrukturen - jede nur Bruchteile eines Tausendstel Millimeters breit - ankommt, zeigte sich, als die Forscher die Borsten mit Polydimethylsiloxan verkleideten. Wurde das Kunstharz so dünn aufgetragen, dass die Längsrippen noch deutlich hervorstanden, blieb die Schnakenborste weiterhin wasserabweisend. War der Überzug dagegen dick genug, um die Rillen zwischen den Längsrippen zu füllen, tauchte die Borste ins Wasser ein. Wie Messungen mit dem Raster-Kraftmikroskop offenbarten, vergrößerten sich die Adhäsionskräfte um das Zehnfache, sobald die Mikrostrukturen derart verkleistert wurden.

          Doppeltes Netz

          Dass die gerippten Borsten auf dem Schnakenbein nicht sonderlich dicht stehen, erleichtert es einem dort gelandeten Wassertropfen, zügig herabzurollen. Wenn das Bein mit größeren Tropfen kollidiert oder gar mit einer Pfütze, werden die Borsten niedergedrückt. Nun kommen auch die wasserabweisenden Eigenschaften der kürzeren Haare ins Spiel. Zahlreiche Härchen sorgen dafür, dass durchgängig ein dünnes Luftpolster erhalten bleibt. Außerdem können sie winzige Wassertröpfchen abfangen, die zwischen den langen Borsten hindurchrutschen. Auf den Flügeln der Schnake sind kurze, abwärtsgebogene Haare auch für voluminösere Tropfen zuständig.

          Flügel der Schnake (Nephrotoma australasiae)

          Vogelfedern  mit Lotuseffekt

          Wenn Vögel ihr Gefieder vor Feuchtigkeit schützen, gehen sie ebenfalls Kompromisse ein. Das haben Chad M. Eliason und Matthew D. Shawkey von der University of Akron in Ohio bei Stockenten entdeckt. Verglichen mit anderen Federn, entpuppten sich die prächtig blauviolett schillernden, mit denen die Enten ihre Flügel schmücken, als weniger wasserabweisend (“The Journal of Experimental Biology“, Bd. 214, S. 2157). Dass Wassertropfen abperlen, verdanken Vogelfedern den seitlichen Strahlen, mit denen sich benachbarte Federäste ineinander verhaken, um gemeinsam eine mehr oder minder breite Fahne zu bilden. Gewöhnlich bieten die schmalen Kanten der Federstrahlen nur eine kleine Kontaktfläche für Wassertropfen.

          Das Gefieder bleibt Immer trocken

          Farbenpracht und Nässeschutz

          Wenn Federn metallische Farbtöne tragen, sind ihre Strahlen allerdings breiter, geradezu bandförmig. Schließlich beruhen diese Strukturfarben darauf, dass Licht an dünnen Schichten unterschiedlicher optischer Dichte reflektiert wird. Wie zu erwarten, haftet Wasser an Federn mit solchen Mikrostrukturen deutlich besser als an Federn mit Pigmentfarben. Je satter der violette Ton der Strukturfarben, desto schlechter können aufgesprühte Wassertropfen abperlen. Entsprechend geringer war auch der Reinigungseffekt, wenn die Forscher die Federn mit Quarzpartikeln bestäubten. Vermutlich erfordert solche Farbenpracht, die das andere Geschlecht beeindruckt, eine besonders intensive Pflege. Welchen Preis andere Vögel - Pfauen zum Beispiel und viele Arten von Kolibris - für ihr buntschillerndes Federkleid zahlen müssen, ist noch eine offene Frage.

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