Das natürliche Vorbild

Die Heilige Lotusblume gilt in den asiatischen Religionen als Symbol der Reinheit: Makellos sauber entfalten sich die Blätter aus dem Schlamm der Gewässer. Dieses Phänomen der Selbstreinigung wurde im Detail untersucht und gewährt erstaunliche Einblicke in die Möglichkeiten der Natur, sich gegen den allgegenwärtigen Schmutz, aber auch gegen Mikroorganismen zu wehren. Durch die Übertragung diese Eigenschaft auf technische Oberflächen können fast alle im Freiland befindlichen Materialien durch Regen gereinigt werden.

Grenzflächen

Die Wechselwirkung zwischen Festkörpern und ihrer Umgebung laufen nahezu ausschließlich über ihre Grenzschichten ab. Das gilt auch für biologische Systeme, also die Interaktion zwischen lebendem Organismus und seiner Umwelt. Biologische Oberflächen sind in Millionen Jahren der Evolution entstandene, optimierte, multifunktionale Systeme. Zu ihren Aufgaben gehören zum Beispiel die mechanische Stabilität, die Thermoregulation und die Kontrolle des Stoffaustausches. Als eine der am weitesten entwickelten Pflanzen hat sich dabei die Lotuspflanze oder auch Lotusblume genannt in der Forschung einen namen gemacht. Die Lotuspflanze lässt sich am besten mit den bei uns beheimateten Seerosen vergleichen und wird auch von der Mehrzahl der Experten zur Gattung der Seerosengewächse gerechnet. Sie ist in den warmen Gebieten Asiens und Australiens, sowie in Nordamerika beheimatet, war aber früher auch im mediterranen Raum verbreitet, wo sie jedoch ausgerottet wurde. Am bekanntesten ist die Indische Lotuspflanze (Nelumbo nucifera), deren etwa haselnussgroße Früchte, sowie deren Wurzelstock genießbar sind. Der Lotuspflanze wird hauptsächlich im asiatischen Raum große Bedeutung beigemessen. Sie erhielt vor allem im Hinduismus und im Buddhismus, sowie in den Kulturen Indiens, Ostasiens und auch Alt-Ägyptens einen hohen Symbolcharakter. Sie gilt hauptsächlich als Synonym für Reinheit und bekommt als Sinnbild für Regeneration bei Opfern und Bestattungen vor allem im Buddhismus rituelle Bedeutung. In jedem Buddhatempel ist eine Lotuspflanze zu finden, und die Chakren, die Bewusstseinsebenen des Menschen, werden in Form einer Lotusblume visualisiert. Dies lässt sich vor allem auf das Erscheinungsbild der Wasserpflanze zurückführen. Ihre großen schildförmigen Schwimmblätter, welche majestätisch von langstieligen 35 Zentimeter großen, rosa oder weißen, gefächerten Blütenblättern gekrönt werden, bleiben immer sauber. Erst vor wenigen Jahren wurde von Prof. Wilhelm Barthlott die verantwortliche Oberflächenstruktur entdeckt, was auch das außerordentlich effektive Abweisen von Schmutzpartikeln erklärt. Bei der Lotuspflanze hat die Natur einen effizienten Selbstreinigungseffekt hervorgebracht, welcher kaum zu überbieten ist.

Die Ursache des Lotuseffekts liegt in einer besonderen Oberflächenstruktur, welche so geringe Adhäsionskräfte erzeugt, dass schon bei Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung die Kohäsionskräfte innerhalb der Flüssigkeit die Adhäsionskräfte überwiegen und es zu keiner Benetzung kommt. Die Epidermis der Lotuspflanze beispielsweise bildet etwa fünf bis zehn Mikrometer hohe und zehn bis fünfzehn Mikrometer voneinander entfernte Noppen, denen eine Cuticula aufgelagert ist. Sie besteht aus einem Grundgerüst von Polymeren wie Cutin und den darin eingelagerten hydrophoben Wachsen.

Durch die Oberflächenstruktur der Pflanzen werden gegenüber Wasser Kontaktwinkel von bis zu 160° erreicht (Superhydrophobie). Das bedeutet, dass nur etwa 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche mit der Oberfläche der Pflanze in Kontakt stehen, diese also eine extrem geringe Benetzbarkeit besitzt. Die Adhaesion zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen ist dabei so gering, dass das Wasser leicht abperlen kann. Aufliegende Schmutzpartikel – die ebenfalls nur eine kleine Kontaktfläche besitzen – werden dadurch mitgerissen und weggespült. Durch die zentrale Bedeutung der Oberflächenspannung wässriger Lösungen für die Minimierung der Kontaktfläche wird verständlich, dass der Lotuseffekt in dieser Form nicht bei stark benetzenden Lösungsmitteln auftreten kann.

Im Jahr 1995 wurde das Patentierungsverfahren durchgeführt und erste Kooperationsverträge mit der Industrie abgeschlossen. Eingeführt wurde der Begriff Lotus-Effect 1997 in einem Fachartikel in der Zeitschrift Planta. Der Name Lotus-Effect wurde von Barthlott 1998 als Marke registriert.

Es ist mittlerweile gelungen die Oberflächenstruktur künstlich nachzubilden. Kommerzielle Produkte sind selbstreinigende Dachziegel und eine selbstreinigende Fassadenfarbe („Lotusan“). Es ist auch gelungen, einen Autolack mit Lotuseffekt herzustellen. Dieser Lack konnte sich aufgrund seiner optischen Eigenschaften am Markt nicht durchsetzen, da er wegen der erhöhten Rauheit zu matt wirkt. Aus dem Bereich der Nanotechnologie gibt es mittlerweile ebenfalls Beschichtungen, die superhydrophob sind. Diese Oberflächen sind zwar wasserabweisend, jedoch nicht selbstreinigend, sondern besonders leicht zu reinigen. Es gibt auch Spray-Beschichtungen, die solche Nano-Strukturen ausbilden. Werden diese Beschichtungen auf bereits entsprechend mikrostrukturierte Oberflächen aufgebracht, kann ein Lotuseffekt erzielt werden.

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