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Schulen - Hochschulen |
| Versuch 1 | Wasser auf hydrophilen Oberflächen | |
| Material | verschiedene Papiersorten (Hochglanzpapier, Schreibmaschinenpapier, Filterpapier), Schieblehre, Pipetten | |
| Durchführung | Die Schüler lassen Wassertropfen möglichst gleichen Volumens (Pipetten nutzen!) auf Papier verschiedener Rauigkeit tropfen. Der Tropfen (bzw. Wasserfleck-) Durchmesser wird mit einer Schieblehre gemessen. | |
| Beobachtung | Je glatter das Papier ist, desto geringer ist der Durchmesser des Tropfens und desto größer ist seine Wölbung. Das Filterpapier saugt den Wassertropfen vollständig auf, auf Hochglanzpapier ist der Tropfendurchmesser minimal. | |
| Erklärung | Die hydrophilen Zellstofffasern üben Adhäsionskräfte auf das Wasser aus, die umso größer sind, je größer ihre Oberfläche ist (oder je rauer die Oberfläche des Papiers ist). Daher breitet sich der Wassertropfen über eine mehr oder weniger große Fläche aus. |
| Versuch 2 | Wasser auf hydrophoben Oberflächen | |
| Material | verschiedene frische Blätter (Gras, Kapuziner, Kohlrabi), Pipette, Lupe (8x) oder Stereolupe | |
| Durchführung | Wassertropfen werden mit einer Pipette auf die Blätter gegeben. Blätter oder Blattteile werden in einer kleinen Glaswanne untergetaucht (ggf. mit Objektträgern seitlich beschweren). | |
| Beobachtung | Die Tropfen kugeln sich extrem ab. Unterhalb der Tropfens ist mit der Lupe eine silbrige Schicht zu erkennen. Diese wird noch deutlicher, wenn das Blatt als Ganzes untergetaucht werden. Das Wasser läuft beim Herausnehmen ab, ohne die Oberfläche der Oberfläche der Blätter dauerhaft zu befeuchten. An Grasblättern kann man erkennen, dass einzelne Tropfen sich dort rückstandsfrei lösen, wo der Spiegeleffekt am deutlichsten ist, während an manchen Stellen Wasserspuren zurückbleiben. | |
| Erklärung | Zwischen den Mikrostrukturen der Blattoberflächen wird Lufteingeschlossen. An der Grenzfläche von Wasser und Luft entsteht durch Totalreflexion des Lichts ein Spiegeleffekt. Wegen der geringen Kontaktflächen zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen sind die Adhäsionskräfte gering, ein Wassertropfen perlt nahezu rückstandsfrei von der Blattoberfläche ab. Die Gestalt des Tropfen ist überwiegend durch die Oberflächenspannung des Wassers bestimmt. |
| Versuch 3 | Zerstörung der Mikrostrukturen der Blattoberfläche | |
| Material | siehe Versuch 2 | |
| Durchführung | wie Versuch 2, aber die Blattoberflächen werden zuvor partiell durch Abreiben mit einem Tuch oder Wattestäbchen beschädigt. | |
| Beobachtung | An den beschädigten Stellen ist kein Spiegeleffekt zu beobachten. Die Wasserabstoßung ist nicht mehr gegeben. Tropfen haften an der Blattoberfläche, obwohl ihre chemische Natur sich nicht geändert hat. Die Blattoberflächen sind benetzbar geworden. | |
| Erklärung | Die Mikrostrukturen sind für die Unbenetzbarkeit der Oberfläche verantwortlich. Werden sie zerstört, so haftet das Wasser wegen der größeren Adhäsionskräfte auch an hydrophoben Oberflächen. |
| Versuch 4 | Selbstreinigung eines Blattes (hydrophile Verschmutzung) | |
| Material | Blätter von Gras, Kapuzinerkresse, Kohlrabi; Lehmstaub (fein zerriebener Gartenlehm) | |
| Durchführung | Auf die Blätter wird Lehmstaub gegeben. Anschließend wird mit einer Pipette ein einzelner Wassertropfen auf diese verschmutzte Oberfläche gesetzt und das Blatt geneigt, so dass der Tropfen abrollt. | |
| Beobachtung | Die Lehmpartikel werden in den Wassertropfen aufgenommen. Der Tropfen hinterlässt eine saubere Spur auf dem verschmutzten Blatt. | |
| Erklärung | Die hydrophilen Lehmpartikel werden vom Tropfen aufgenommen, da ihre Adhäsion zur Blattoberfläche geringer ist als die Adhäsion zum Wasser. Erst wenn der Tropfen mit Lehm gesättigt ist, kann er keine Reinigungswirkung mehr ausüben. Dann bleiben die übrigen Lehmpartikel auf der Blattoberfläche zurück. In der Natur ist dieser Lotus-Effekt verantwortlich dafür, dass Blattoberflächen fast immer sauber sind (wenngleich es deutliche Unterschiede im "Reinigungsverhalten" gibt, die auf unterschiedliche Grade der Unbenetzbarkeit der Oberflächen zurückgehen). Eine unverschmutzte Blattoberfläche bewahrt ihre volle Funktionsfähigkeit zu Photosynthese und Gasaustausch. Darüber hinaus wird die Anheftung von pathogenen Pilzsporen erschwert. |
| Versuch 5 | Selbstreinigung eines Blattes (hydrophobe Verschmutzung) | |
| Material | Blätter wie in Versuch 4; Ruß | |
| Durchführung | wie Versuch 4, aber Verunreinigung mit Ruß (Vorsicht! Verschmutzungsgefahr von Haut und Kleidung!) | |
| Beobachtung | Reinigung der Blattoberflächen wie in Versuch 4, aber bei genauer Beobachtung zeigt sich, dass die Rußpartikel die Oberfläche des Tropfens bedecken. | |
| Erklärung | Die hydrophoben Partikel liegen auf den Spitzen der Mikrostrukturen (Wachskristalle) und daher sind die Adhäsionskräfte gering. Die Adhäsionskräfte zwischen Wassertropfen und Rußpartikeln sind größer, die hydrophoben Partikel haften am Tropfen und werden von der Blattoberfläche entfernt. |
| Versuch 6 | Künstliche Herstellung einer Oberfläche mit Lotus-Effekt | |
| Material | Kerze, Objektträger | |
| Durchführung | Ein Objektträger wird über eine Kerzenflamme gehalten, bis der teilweise rußgeschwärzt ist. Anschließend lässt man einen Wassertropfen über die rußige Oberfläche rollen. | |
| Beobachtung | Der Wassertropfen rollt ab wie von einer anderen unbenetzbaren Oberfläche und reißt lose Rußpartikel mit sich. | |
| Erklärung | Der Ruß enthält unverbranntes, hydrophobes Paraffin. Er bildet auf der Objektträgeroberfläche eine raue, hydrophobe und selbstreinigende Oberfläche. Wie alle Oberflächenstrukturen, die zwischen 5 und 20 µm hoch und etwa 5 bis 50 µm voneinander entfernt sind, zeigt auch die Rußschicht auf dem Objektträger den Lotus-Effekt. |
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2003
