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Nie mehr putzen?! Experimente
mit selbstreinigenden Oberflächen

Nie mehr putzen, das wär’s! Diesem traumhaften Zustand sind wir gar nicht so fern. Lotuseffekt heißt das Zauberwort. Dank neuartiger Beschichtungen im Nanometer-Bereich können sich Schmutz, Staub oder Fett nicht mit der Oberfläche verbinden und lassen sich einfach mit klarem Wasser abspülen – genauso, wie es bei den Blättern der Lotuspflanze der Fall ist. Ob das wohl funktioniert? Probier‘ es aus!

Details

Darum geht es

Bei diesem Experiment erfährst du, was sich hinter dem Lotuseffekt verbirgt und dass man genauso gut vom Kohlrabi-Effekt sprechen könnte. Du lernst, was der Unterschied zwischen einer bloß wasserabweisenden oder hydrophoben Oberfläche und einer superhydrophoben Lotusbeschichtung ist. Und du kannst ausprobieren, wie du Oberflächen so mit einer Nanobeschichtung versehen kannst, dass das Putzen zumindest einfacher wird.

Das brauchst du

  • Blätter von Kopfsalat, Kohlrabi und anderen Pflanzen (besonders effektvoll: Blätter von Frauenmantel oder Kapuzinerkresse oder ein Lotusblatt, nach dem  du in einem botanischen Garten fragen kannst)
  • Nylonstrumpf
  • eine Tropfpipette oder einen Strohhalm
  • einen Becher mit Wasser
  • einen Becher mit Wasser, in dem du ein paar Tropfen Spüli gelöst hast
  • etwas Blütenstaub, Honig, Ruß, Puder, Staub, Ketchup, Klebstoff und was dir sonst als „Dreck“ einfällt
  • Papiertücher zum Abtrocknen

Außerdem, wenn du besorgen kannst:

  • verschiedene unbeschichtete und beschichtete Materialien wie Holzplättchen, Glasobjektträger, Baumwollstoff, imprägnierter Stoff (z.B. Regenjacke – sie wird bei diesem Versuch nicht beschädigt!), unbeschichtete Wandfliesen, Fliesen mit Lotuseffekt (beide gibt’s im Baumarkt oder beim Fliesenhändler)
  • herkömmliche Wandfarbe, Lotusan-Wandfarbe, Glasimprägnierer (alles aus dem Baumarkt)

Das machst du

  • Lege die verschiedenen Blätter und Materialien flach auf einen Tisch. Bestreiche ein paar Kohlrabiblätter mit der Spülilösung und lass sie trocknen, poliere andere mit dem Nylonstrumpf und lass die restlichen, wie sie sind.
  • Behandele ein paar der Glasobjektträger nach der Anleitung mit dem Glasimprägnierer. Bestreiche einige Holzplättchen mit normaler Farbe, andere mit Lotusan-Farbe.
  • Gib nun auf die verschiedenen Blätter, Glas- und Holzplättchen oder Stoffproben mit der Pipette oder dem Strohhalm vorsichtig einen Tropfen Wasser.
  • Beobachte die Form des Wassertropfens. Was passiert, wenn du das Blatt, das Glasplättchen oder die anderen Materialien schräg hältst?
  • Gib dann auf die Kohlrabiblätter (ein unbehandeltes, ein mit Spülilösung bestrichenes, ein poliertes) etwas Blütenstaub oder Puder und dann einen Tropfen Wasser. Halte die Blätter leicht schräg und beobachte, was der Wassertropfen mit dem Staub macht. Probiere das Gleiche mit den verschieden behandelten Glas- und Holzplättchen. Was passiert?

Das kannst du beobachten

Auf einigen Blättern und Oberflächen behält der Wassertropfen seine Kugelform. Du kannst ihn sogar vorsichtig hin und her rollen lassen. Besonders gut klappt das beim Kohlrabiblatt oder beim Frauenmantel.

Auf anderen Oberflächen wird der Tropfen ganz platt, benetzt eine größere Oberfläche und kann nicht einfach abfließen. Das ist etwa beim Kopfsalat der Fall.

Auf dem unbehandelten staubigen Kohlrabiblatt nimmt der Tropfen den Schmutz einfach mit, das Blatt wird ganz sauber. Auf den anderen Blättern entsteht ein Schmier aus Wasser und Schmutz.

Ähnlich ist es bei den anderen Materialien: Bei den behandelten Oberflächen behält der Tropfen seine Kugelform und nimmt beim Abrollen Schmutz mit. Auf den unbehandelten Oberflächen verteilt sich der Tropfen und fließt nicht einfach ab.

Das steckt dahinter

Wie gut ein Wassertropfen von einer Oberfläche abperlt, hängt von zwei Faktoren ab: von der Oberflächenchemie und von der Oberflächenstruktur. Zum einen gibt es Stoffe, die allein aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung wasserabweisend wirken. In der Fachsprache heißt das hydrophob. Dazu gehören beispielsweise Öl oder Wachs oder bestimmte Kunststoffe. Mit diesen Chemikalien kann man Oberflächen behandeln und damit ihre Eigenschaft so verändern, dass sie wasserabweisend wirken.

Noch stärker ist dieser Effekt, wenn die hydrophobe Oberfläche wie beim Lotus- oder Kohlrabiblatt außerdem aus winzigst kleinen Noppen besteht. Sie sind nur wenige Nanometer groß. Unter einem herkömmlichen Lichtmikroskop kannst du sie deshalb nicht erkennen. Erst mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops lassen sie sich sichtbar machen.

Diese Noppen bewirken, dass der Wassertropfen das Blatt nur an wenigen Punkten berührt, im Wesentlichen aber von Luft umgeben ist. Auf Grund seiner Oberflächenspannung zieht sich der Tropfen deshalb zu einer Kugel zusammen – wie er es als Tropfen in der Luft auch tut – und rollt schon bei geringer Neigung einfach hinunter. Dabei kann der Tropfen Schmutzpartikelchen, die ebenfalls auf den Noppen aufliegen, mitnehmen.

Wenn du das Blatt zuvor blank poliert hast, sind die Nano-Noppen zerstört und der Lotus-Effekt funktioniert nicht mehr. Beim mit Spüli behandelten Blatt wird der wasserabweisende Charakter der Oberfläche verdeckt. Durch das Spüli wird die Oberflächenspannung des Wassers verringert. Der Tropfen kann sich deshalb nicht mehr kugelförmig zusammenziehen.