Vom Winde verwackelt: Vibrationen unterstützen Lotuseffekt abperlender Blätter

Dass wasserabweisende Oberflächen in der Natur neben Tropfen auch frischen Tau abperlen lassen, liegt auch am Wackeln der Pflanze

Lotuseffekt
Lotuseffekt

Durham (USA) - Wie Lotusblätter in der Natur können neue, menschgemachte Oberflächen Wassertropfen abperlen lassen und möglichst gleich den angesammelten Schmutz mitnehmen. Doch die Natur kann mehr: An den Lotusblättern perlt sogar Tauwasser ab, das sich sehr fein über Nacht ablagert. Jetzt haben US-Forscher festgestellt, dass dafür die Vibrationen des Blattes nötig sind. Nur wenn es im Wind - oder durch andere Erschütterungen - schwingt, rollt auch die feine Tau-Schicht als Tropfen ab. Unterhalb einer bestimmten Schwingungsfrequenz hingegen dringt der Tau auch in Lotusblätter ein, berichtet das Team in den "Physical Review Letters". Die Erkenntnisse könnten nicht haftende und selbstreinigende Oberflächen weiter verbessern und Reibung an Schiffsrümpfen oder innerhalb von Rohren mindern.

"Ein Lotusblatt in der Natur bleibt auch nach wiederholtem Kondensieren wasserabweisend. Doch wenn man es fixiert, bleiben nach dem Kondensieren auch Wassertropfen am Blatt kleben", schreiben Chuan-Hua Chen und Jonathan Boreyko von der Duke University. Im Labor untersuchten sie, ob und inwieweit die Superhydrophobie des Lotus-Blattes von natürlichen Vibrationen abhängt, ausgelöst durch das Wackeln der langstieligen Blätter im Wind. Künstliche Oberflächen nämlich, die dem Lotusblatt nachgebaut sind , verhalten sich zwar Wassertropfen gegenüber abweisend, hydrophob. Eine Luftschicht zwischen den unzähligen feinen Stäbchen, welche die Oberfläche bilden, hält die Tropfen ab. Doch wenn Wasser darauf kondensiert, sich also über längere Zeit und zunächst hauchdünn absetzt, so bleibt es haften.

Im Experiment betrachteten Chen und Boreyko die Oberfläche von Lotusblättern unter verschiedenen Bedingungen mithilfe eines Hochgeschwindigkeitsmikroskops. Zunächst zeigten sie, dass das Blatt die Superhydrophobie verliert, wenn es vor einer kalten Platte fixiert ist und Wasserdampf an seiner Oberfläche kondensiert. Dabei kann er leicht in die Hohlräume der Stäbchenoberfläche eindringen und die Luftpolster verdrängen. Dann simulierte das Team die natürlichen Schwingungen eines Blattes per Lautsprecher: Mit der vibrierenden Membran verbunden, reagierte das Blatt bei verschiedenen Frequenzen und Amplituden wie auf variierende Windgeschwindigkeiten. Das Kondensieren von Wasser simulierten die Forscher, indem sie eine Mischung aus Wasser und Ethanol (2:1) auftrugen, bei 21 Grad Raumtemperatur und 51 Prozent Luftfeuchte. Während das Ethanol verdunstete, ließ es das Wasser wie beim Kondensieren auf der Blattoberfläche zurück. Sechs Minuten nach dem Auftragen wurden die Lautsprecher angeschaltet, wenn rund 90 Prozent des Ethanols verschwunden war.

Die Bilder des Hochgeschwindigkeitsmikroskops zeigten: Bei einer Schwingungsfrequenz von 80 Hertz und einer Spitze-Spitze-Amplitude von 0,6 Millimetern schüttelten die Lotusblätter alles Wasser in Tropfenform komplett ab. Bei zu starken Schwingungen verblieb auf der Oberfläche ein "klebriger" Wasserrest, bei zu schwachen Schwingungen blieben die Tropfen auf der Oberfläche haften. "Unsere Experimente weisen nach", schreiben die Forscher, "dass sich mechanische Vibration nutzen lässt, um die Energiebarriere für den Übergang vom haftenden Wenzel-Zustand zum nicht haftenden Cassie-Zustand zu überwinden."

Somit könne man auch technisch und bei menschgemachten Oberflächen eine Superhydrophobie gegen Tauwasser erzielen und neue Anwendungen erschließen - Vibrationen fänden sich schließlich überall: von Motor-geschüttelten Maschinen bis zu Bewegungen durch Menschen, Wind und Wasser oder nicht zuletzt durch Lüfter im Computer.