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	Blüte und Blatt der Heiligen Lotusblume (Nelumbo nucifera)
	Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Lotus-Blatts (Längenangabe am unteren Bildrand: 20µm). Die doppelt strukturierte Oberfläche (Zellen als Mikro-, Wachskristalle als Nano-Struktur) minimiert die Kontaktflächen mit Wasser oder Partikeln auf der Oberfläche).

Lotus-Effekt

J. Nieder, Z. Cerman und W. Barthlott

Die Heilige Lotusblume (Nelumbo nucifera) ist in der hinduistischen Religion traditionell ein Symbol der Reinheit. Tatsächlich sind die Blätter dieser in Asien viel kultivierten Pflanze makellos sauber [ 1 ]. Die Ursache dafür ist der sogenannte "Lotus-Effekt", der das Phänomen der weitgehenden Unbenetzbarkeit und Selbstreinigung vieler pflanzlicher und anderer Oberflächen bezeichnet. Wasser perlt von der Oberfläche eines Lotus-Blattes ab, ohne im Geringsten an der Oberfläche zu haften und reißt alle Schmutzpartikel mit sich. Jeder Regenschauer führt also zur perfekten Reinigung der Pflanze.

Wassertropfen auf einem Blatt der Kapuzinerkresse (Tropaeolum majus)

Unbenetzbarkeit ist immer mit einer Mikro- oder Nanostrukturierung der Oberfläche verbunden. Unter den Pflanzen finden wir dieses Phänomen [ 2 ] nicht nur bei der völlig unverschmutzbaren Lotusblume, sondern auch bei vielen anderen Blättern (Kapuzinerkresse, Tulpe, Schilf) und sogar bei tierischen Oberflächen wie den Flügeln von Insekten (z.B. Libellen oder Schmetterlingen).

Die physikalische Ursache von Unbenetzbarkeit ist das Verhältnis der Grenzflächenspannungen von Wasser/ Luft, Wasser/ Festkörper und Festkörper/ Luft. Es bestimmt den Kontaktwinkel des Tropfens zum Festkörper. Nach der physikalischen Definition ist eine Oberfläche mit einem Kontaktwinkel kleiner 90º hydrophil (benetzbar), bei größer 90º hydrophob (unbenetzbar). Bei völliger Benetzung (Kontaktwinkel 0º) bildet das Wasser einen monomolekularen Film auf der Festkörperoberfläche. Theoretisch berührt ein Tropfen bei einem Kontaktwinkel von 180º (der in der Natur nicht vorkommt) nur an einem Punkt die Festkörperoberfläche. Für glatte wasserabstoßende Oberflächen (Teflon!) liegt der maximale Kontaktwinkel bei 120º.

Der Kontaktwinkel von Wasser zu einer hydrophoben Oberfläche.

Wenn hydrophobe Oberflächen rau sind, wird der Kontaktwinkel größer und die Benetzbarkeit kleiner. Auf Blattoberflächen kann der Kontaktwinkel 170º erreichen. Diese Oberflächen bezeichnet man superhydrophob. Ein Wassertropfen kann auf diesen mikrorauen wasserabstoßenden Oberflächen nicht spreiten und zieht sich aufgrund der eigenen Oberflächenspannung zu einer Kugel zusammen. Er berührt dadurch die Oberfläche nur an sehr wenigen Stellen. Dadurch werden die Haftungskräfte (Adhäsion), die einen Tropfen auf der Blattoberfläche halten, auf ein Minimum reduziert und ermöglichen es dem Tropfen bereits bei geringster Neigung der Oberfläche über das Blatt hinweg zu rollen.

Im Prinzip sind alle pflanzlichen Oberflächen (außer Wurzeln) gleich aufgebaut: die äußerste Zellschicht (Epidermis) ist von einer Cuticula bedeckt, die aus einem Polymergerüst besteht, in das Gemische verschiedener Kohlenwasserstoffe (Lipide) eingelagert sind. Diese Lipide bezeichnen wir gewöhnlich als "Wachse". Sie machen die Cuticula wasserundurchlässig und schränken die Durchlässigkeit der Cuticula für Wasserdampf weitgehend ein. Auf der Oberfläche befinden sich Wachskristalle, die oft makroskopisch – z.B. an Weintrauben - als weißlicher, abwischbarer Belag erkennbar sind. Im elektronenmikroskopischen Bild werden fantastisch anmutende, oft für pflanzliche Verwandtschaftskreise charakteristische Mikro- oder Nanostrukturen sichtbar.

Flüssigkeitstropfen auf einer superhydrophoben Oberfläche. Auf Grund seiner Oberflächenspannung bildet der Tropfen eine Kugel und berührt das Blatt nur an wenigen Punkten. Schmutzpartikel haften am Flüssigkeitstropfen und werden von der Blattoberfläche entfernt.

Die Wachse auf der Blattoberfläche und in der Cuticula erfüllen verschiedene Funktionen: Wasserundurchlässigkeit, Stabilität, Reflexion von Strahlung und eben auch Einschränkung der Benetzbarkeit. Diese ist eine wichtige Grundvoraussetzung für die Unverschmutzbarkeit. Wenn ein auf der Blattoberfläche liegender hydrophiler Schmutzpartikel einen Wassertropfen berührt, ist seine Adhäsion an das Wasser größer als die Adhäsion an die Blattoberfläche. Der Partikel wird von der Oberfläche entfernt und, da dieser benetzbar ist, in den Tropfen eingesogen. Auf diese Weise wird die Oberfläche beim Abrollen der Tropfen gesäubert [ 3 ].

Selbst hydrophobe Substanzen lassen sich von den Blattoberflächen entfernen, obwohl diese besonders gut auf hydrophoben Oberflächen haften müssten. Da aber ihre Adhäsion an die Oberfläche wegen der extrem geringen Auflageflächen äußerst gering ist, reichen die minimalen Adhäsionskräfte zwischen hydrophoben Partikeln und Wassertropfen für eine Säuberung der Oberfläche aus. Im Gegensatz zu hydrophilen Partikeln sinken jedoch diese nicht in den Tropfen hinein, sondern verbleiben auf dessen Oberfläche.

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