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Experimente zum Lotos- und Geckoeffekt
Stoffe  Wasser, Kohlrabi- und Salat-Blätter, Wachspapier, Kohlepulver oder Ruß, Mehl, fein zerteilte Gartenerde, Textilstück aus Wolle, Textilstück mit hydrophober Nano-Beschichtung (aus der NanoboX der VCI), Klebstoff auf Wasserbasis, selbsthaftender Stoff, Papier 80g, Kunststoff-Folie, Glasreiniger
Geräte  Objektträger, Kerze, Pipette, Glasplatte ca. 20x30xm aus Bilderrahmen, Geodreieck mit Winkelmessung, Schere, Eimer

 
Experimentreihe 1: Lotoseffekt
 
Wenn man kein Lotosblatt beschaffen kann, ist der Gang zum Wochenmarkt angesagt. Dort findet man zahlreiche Gemüse, deren Blätter den gleichen Effekt zeigen. Ausgesprochen gut funktionieren beispielsweise Kohlrabi- oder Kapuzinerkresse-Blätter. "Beschmutzt" man solche Blätter mit Mehl oder Ruß, dann lassen sie sich mit Wassertropfen gut reinigen. An denjenigen Stellen wo die Wassertropfen laufen, bilden sich gesäuberte Bahnen auf dem Blatt.
 


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Lotoseffekt auf Kohlrabi-Blatt (links), Mehl und Wassertropfen (rechts)  
 


Damit der Lotoseffekt besser verstanden wird, stellt man den Schülerinnen und Schülern Beobachtungs- und Recherchier-Aufgaben, beispielsweise in dieser Reihenfolge:
  • Gib auf ein Textilstück aus Wolle einen Wassertropfen und beschreibe die Form des Tropfens!
  • Erzeuge Tropfen, die der Kugelform am besten entsprechen!
  • Erläutere die Form des Wassertropfens anhand der Oberflächenspannung.
  • Warum geht der Tropfen nicht in das Gewebe?
  • Erläutere den Nachteil dieses Effekts beim Waschen.
  • Wie wird das Problem durch die Waschmittel gelöst?
  • Beschmutze ein Kohlrabi-Blatt mit Kartoffelstärke und lass Wassertropfen darüber laufen.
  • Tauche das Kohlrabi-Blatt in einem Wassereimer unter Wasser. Lässt es sich benetzen?
  • Führe die gleichen Versuche mit anderen Blättern und Materialien durch (Salatblatt, nanobeschichtetes Textilstück, Wachspapier, normales Papier).
  • Experimentiere mit verschiedenartigen Verschmutzungen (Kohlepulver, Mehl, Ruß als Verbrennungsprodukt von Papier, u.a.).
  • Haftet ein Klebstoff auf Wasserbasis am Blatt?
  • Wie löst das Kohlrabi-Blatt das Problem? Betrachte dazu ein elektronenmikroskopisches Bild der Blattoberfläche einer Lotospflanze!
  • Haften die Schmutzteilchen besser am Wasser oder besser an der Blattoberfläche?
  • Erkläre den Lotoseffekt mit deinen eigenen Worten!
  • Erstelle eine Zeichnung wie du dir den Effekt eines selbstreinigenden Autolacks im Modell erklärst.
  • Zusatzaufgabe: Besorge dir die Samen der Kapuzinerkresse und züchte die Pflanze. Experimentiere mit den Blättern!
Es ist von Bedeutung, dass die Schüler die Experimente variieren und die Erklärungen selbst finden. Als Hilfe dient diese Internetseite, die damit verbundene CD-ROM oder weitere Medienquellen.

 
Experimentreihe 2: Adhäsionswirkung bei zwei festen Stoffen

Man kann zuerst den Gecko und seine Leistungen vorstellen. Interessant wäre auch die Frage, ob ein Gecko auf Teflon oder auf einer mit Sand oder Mehl beschichteten Glasplatte laufen kann. Die Antwort dazu wird zunächst nicht gegeben.
 
Eine 20x30cm große Glasplatte aus echtem Glas mit abgeschliffenen Kanten wird in einem Winkel so schräg gestellt (beispielsweise 30° Neigung), dass ein 2x2cm großes Papierquadrat gerade noch haftet. Man muss darauf achten, dass die Glasplatte zunächst absolut fettfrei ist und dass die ausgeschnittenen Papierstücke (80-Gramm-Papier) völlig plan sind. Die Papierstücke werden angedrückt. Man kann die Versuchsreihe auch mit Kunststoff-Folien durchführen. Nun sollen die Schüler herausfinden, wodurch die Haftung beeinflusst wird:
  • Untersuche, ob das Papierstück haften bleibt oder herunterrutscht!
  • Wie beeinflusst der Neigungswinkel das Ergebnis?
  • Verändert sich die Haftung, wenn die Papierstücke vorher mit Kartoffelstärke "verschmutzt" wurden?
  • Suche nach weiteren Ideen wie die Haftung verbessert oder verschlechtert werden kann!
Adhäsionsfolien sind im Bürobedarf erhältlich. Sie haften ohne Klebstoff an einem Schaufenster und können sehr einfach wieder abgezogen werden. Mit diesen Folien kann man ähnliche Experimente direkt an einem Fenster durchführen.
 
 
Experimentreihe 3: Adhäsionswirkung bei einem festen Stoff und Wasser
 
Ein Objektträger wird mit einer Kerzenflamme stark verrußt. Dann hält man ihn etwas schräg und gibt darauf Wassertropfen aus einer Pipette. Die Wassertropfen bleiben nicht am Glas haften, sondern gleiten blitzschnell über die Oberfläche. Im Film ist noch zu sehen, wie die Wassertropfen Russpartikel mitreißen, die nicht fest genug auf der eingebrannten Rußschicht haften.
 
 
Film
Film starten  
 

Interessant ist aber jetzt die Frage, was passiert, wenn man einen Wassertropfen über eine glatte Glasfläche laufen lässt. Welches Material übt mehr "Anziehung" (mehr Adhäsion) auf das Wasser aus? Die mit Ruß beschichtete Glasplatte oder das Glas alleine? Es existieren noch viele Variationsmöglichkeiten:
  • Wie verhalten sich Wassertropfen auf anderen Materialien beispielsweise auf Kunststoffen, auf Textilien oder anderen wasseranziehenden Stoffen, auf unterschiedlichen Papiersorten?
  • Lassen sich zwei Glasplatten (z.B. Objektträger) auseinanderziehen, wenn man eine Wasserschicht dazwischen legt? Wie bekommt man sie auseinander?
 
Erläuterungen auf der Phänomene-Ebene

Ein Wassertropfen haftet je nach Material unterschiedlich. Wenn er darauf schlechter haftet, nähert sich seine Form einer Kugel an, und er gleitet leichter darüber. Dies ist bei Verschmutzungen oder bei einer Rußschicht der Fall. Wenn er gut haftet, flacht die Kugelform ab oder sie wird zerstört. Dies ist auf einer sauberen Glasplatte der Fall. Filterpapiere wirken wasseranziehend, sie saugen sich mit Wasser voll. Legt man eine Wasserschicht zwischen zwei Glasplatten, wird die Haftung enorm vergrößert.
 
Das Lotosblatt hat auf seiner Oberfläche Noppen, die mit Wachskügelchen besetzt sind. Diese verhindern den Kontakt mit dem Wassertropfen. Auch Schmutzteilchen finden keinen guten Halt, sie werden mit den Wassertröpfchen aus dem Regen abgewaschen. So funktioniert das Selbstreinigungsprinzip in der Natur. Eine Verschmutzung auf den Blättern muss die Lotospflanze unbedingt verhindern, da sie sehr viel Sonneneinstrahlung braucht, um ihre großen Blüten zu entwickeln.
 
Der Gecko hat an seinen Füßen viele Härchen mit aufgespaltenen Enden. Die unglaubliche Summe von einer Milliarde solcher Enden pro Gecko bewirken insgesamt eine hervorragende Haftung auf dem Untergrund. Ein feuchter Untergrund verbessert diese Haftwirkung noch zusätzlich. Auf Antihaftbeschichtungen wie Teflon rutscht selbst der Gecko aus. An Glasplatten haftet er dagegen hervorragend.
 


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Rotwein auf hydrophilem Geschirrtuch aus Baumwolle (links),
Rotweintropfen auf hydrophobem, nanobeschichtetem Stoff (rechts)  
 

Erläuterungen mit Hilfe der Fachbegriffe
 
Die Adhäsion ist die Ursache, dass ein Material überhaupt auf einer Glasplatte haften kann. Es sind Kräfte, die zwischen zwei Materialien vorherrschen. Dass der Wassertropfen eine runde Form annimmt, ist ein Resultat der Kohäsion, also derjenigen Kräfte, die innerhalb des Tropfens auftreten. Für den Wassertropfen ist die Kugelform energetisch günstig. Die Kugelform bildet die kleinstmögliche Oberfläche, sie ist ein Resultat der Oberflächenspannung an der Grenzfläche Wasser-Luft. Wenn die von außen wirkende Adhäsion zu stark wird, wird die Kugelform aufgegeben, da sie dann energetisch ungünstiger ist. Dies ist bei einer sauberen Glasplatte teilweise der Fall.
 
Wenn man zwei Objektträger mit Wasser befeuchtet und aneinanderlegt, lassen sie sich kaum noch voneinander abziehen. Die Adhäsionswirkung ist dann sehr groß. Legt man einen Wassertropfen auf ein wasseranziehendes (hydrophiles) Geschirrtuch, dann wird die Kohäsion im Tropfen ebenfalls überwunden. Es findet eine Benetzung statt, der Wassertropfen breitet sich in dem Tuch aus.
 
Beim Lotoseffekt verhindert die Noppenstruktur mit der extrem wasserabweisenden (hydrophoben) Wachsschicht jegliche Adhäsion, so dass auch an denjenigen Stellen, wo der Wassertropfen aufliegt, keine Benetzung stattfinden kann. Eine Ruß-Beschichtung ist ebenfalls hydrophob und verhindert eine Benetzung, da sie noch Reste mit nicht verbranntem Paraffin enthält. Bei mit Nanopartikeln beschichteten Textilien sitzen 200nm kleine, hydrophobe Nanoteilchen dicht aneinander und verhindern, dass Schmutzpartikel einen Kontakt zum Textilmaterial haben. Die Adhäsionswirkung auf die Schmutzpartikel ist dadurch so gering, dass sie schon von normalem Regen abgewaschen werden.
 
Der Gecko nutzt die Van-der-Waals-Kräfte, die zwischenmolekularen Kräfte, die beim Kontakt der Milliarde Haft-Enden an den Füßen beispielsweise mit einer Glasplatte wirken. Da Feuchtigkeit die Adhäsion verstärkt, können sich Geckos auf leicht feuchtem Material noch besser festhalten. Antihaftbeschichtungen wie Teflon verhindern die Adhäsion, so dass selbst der Gecko ausrutscht.

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