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Nano-Erfindungen der Natur


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Indische Lotosblume  Nelumbo nucifera  mit großem Blatt und Blüte
Ziergarten, Bildbreite ca. 50cm; Foto: Thomas Seilnacht

  

Das Phänomen des wasser- und schmutzabweisenden Effekts bei der Lotospflanze ist allgemein bekannt. Die Wasserpflanze entwickelt große, schildförmige Blätter und prächtige Blüten. Die Indische Lotosblume Nelumbo nucifera bildet meist rosafarbene Blüten, ihr natürlicher Lebensraum findet sich im Fernen Osten und in Asien. Die amerikanische Lotosblume Nelumbo lutea wächst im Osten der USA, sie blüht weiß oder gelb. Die Lotosblumen sind beliebte Zierpflanzen in Parks und Botanischen Gärten. 
 


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Lotoseffekt: Wasserabweisendes Blatt der Lotosblume
Ziergarten, Bildbreite ca. 30cm; Foto: Thomas Seilnacht
 

Es war der deutsche Botaniker Wilhelm Barthlott (geb. 1946), der das Phänomen erforschte und daraus praktische Anwendungen entwickelte. Betrachtet man ein Lotosblatt unter dem Raster-Elektronenmikroskop, präsentiert sich die Oberfläche des Blattes nicht glatt, sondern mit winzigen Noppen besetzt. Auf diesen sitzen wiederum kleine Wachskristalle. Dadurch können die Wassertröpfchen und vor allem auch Schmutzteilchen nicht anhaften.Beim Abrollen über das Blatt nehmen die Wassertröpfchen die Schmutzteilchen mit. Der Lotuseffekt kommt bei vielen anderen Pflanzen vor, so auch beim Kohlrabi oder bei der Kapuzinerkresse. Die Pflanzen schützen ihre Blätter vor einer Verschmutzung, die ja die Fotosynthese beeinträchtigen würde. Auch Insekten benützen diese Erfindung. 
   


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Noppenstruktur und Wachskügelchen auf einem Lotospflanzenblatt
REM, Bildbreite ca. 25µm; Foto: eyeofscience.de
 

Die Nano-Biotechnologie beschäftigt sich mit winzig kleinen, Bio-Maschinen im Nanobereich. Die Geißeln von Bakterien und Einzellern sind beispielsweise kleine Rotationsmotoren, die das einzellige Lebewesen steuern. Bestimmte funktionelle Einheiten in der pflanzlichen Zelle enthalten solche "Maschinen", beispielsweise findet man sie in den eiweißaufbauenden Ribosomen oder in den Chloroplasten, die für die Fotosynthese von Bedeutung sind. [Lit 5] 
 



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Die Geißel des Augentierchens Euglena ist im Lichtmikroskop noch erkennbar.
Lichtmikroskop, Bildbreite ca. 0,1mm; Foto: Thomas Seilnacht
 

Die alten Ägypter schrieben ihre Hieroglyphen mit Ruß. Pigmente auf der Basis von Flammruß werden durch die Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen erzeugt, sie sind vollkommen beständig gegen Licht und Chemikalien, Farbstärke und Deckvermögen sind ausgezeichnet. Nanoskaliger Ruß entsteht beispielsweise schon, wenn man eine kalte Glasplatte in eine Kerzenflamme hält. Kerzenruß enthält immer geringe Mengen an Paraffinresten, die wasserabweisend wirken. Tropft man Wasser auf eine mit Ruß beschichtete Glasplatte, lässt sich der Lotoseffekt beobachten.(>Film)  
  


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Hält man einen Objektträger in eine Kerzenflamme, entsteht nanoskaliger Ruß.
Foto: Thomas Seilnacht
 

Das farbige Schillern des Schmetterlingsflügels beruht nicht auf dem Vorhandensein von Farbstoffen, sondern das Phänomen entsteht durch Reflexion und Interferenz in den nanoskalig aufgebauten Strukturen an den Schuppen des Flügels. Bei starker Vergrößerung erkennt man unter dem Lichtmikroskop Schuppen, die wie Dachziegel übereinander geschichtet sind. Auf einer vergleichbaren Ursache beruht auch das Farbenspiel bei den Mineralien Opal und Labradorit oder bei den Perlmuttmuscheln. 
 


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Dachziegelartig angeordnete Schuppen auf Schmetterlingsflügel
Lichtmikroskop, Bildbreite ca. 0,5mm; Foto: Thomas Seilnacht
 
  
Der Gecko ist ein kleines Reptil, das man häufig in der Nacht in den Zimmern oder auf den Balkonen in den Hotels am Mittelmeer zu sehen bekommt. Der Gecko kann die Wände hochlaufen und sitzt oft auch an der Decke. Das Tier besitzt an den Zehen winzige, nur etwa 200nm dünne Härchen. Diese Härchen sind fünfmal dünner wie das menschliche Haar. Jedes Gecko-Haar ist an seiner Spitze in hunderte von schaufelartigen Plättchen aufgespalten. [Lit 6, S. 50ff] 
  


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Türkischer Halbfinger-Gecko  Hemidactylus turcicus  an einer Decke
Formentera, Bildbreite ca. 15cm; Foto: Thomas Seilnacht
  

Im Jahr 1960 fand der Biologe Uwe Hiller heraus, dass Geckos auf dem Kunststoff Teflon abrutschen. Er vermutete, dass Kräfte zwischen den Molekülen für das Haftprinzip verantwortlich sind. Im Jahr 2002 erklärte eine US-amerikanische Wissenschaftlergruppe den Effekt mit Hilfe der Van-der-Waals-Kräfte, die zwischen den Atomen des Keratins - in den Faser-Eiweißen der Härchen - und dem Untergrund wirken. Der Gecko kombiniert diese Methode mit Kräften, die auftreten, wenn Feuchtigkeit oder Wasser im Spiel ist. Jede natürliche Oberfläche ist mit einem dünnen Wasserfilm versehen, der die Adhäsion und damit die Haftung zusätzlich erhöht. [Lit 26] 
  



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Der Geckofuß unter dem Elektronenmikroskop
REM, Bildbreite ca. 200µm; Foto: eyeofscience.de
  

Es entsteht in der Summe gerechnet so viel Anziehungskraft, dass der Gecko nicht mehr herunterfällt. Das Prinzip kommt bei zahlreichen Käfern und anderen Insekten vor. Je größer ein Tier ist, umso mehr sind die Härchen an der Spitze aufgespalten. Die Geckos sind mit bis zu 300 Gramm Gewicht die größten Tiere, die das Haftprinzip ausnutzen können. Geckos können sich selbst an Glasscheiben mit nur einem Bein halten. Der Gecko haftet an Glas so gut, dass alle vier Füße in der Summe bis zu 140 Kilogramm Gewicht halten könnten. [Lit 25]  Die Härchen am Fuß des Geckos sind an den Enden aufgespalten, insgesamt besitzt jeder Gecko eine Milliarde von diesen Haar-Enden an seinen Füßen. [Lit 26 
  


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Aufgespaltene Hafthärchen mit Haar-Enden am Fuß des Geckos
REM, Bildbreite ca. 10µm; Foto: eyeofscience.de
 
 
Betrachtet man die Skelette der Kieselalgen (Diatomeen) unter dem Licht- oder Elektronenmikroskop, erkennt man eine Vielzahl an geometrischen Formen und Strukturen. Die harte Schale der Diatomeen ist aus Quarz aufgebaut. Das Siliciumdioxid erreicht allein aufgrund der intelligenten Anordnung von feinen Strukturen bei geringstem Gewicht ein Maximum an Stabilität. 
 


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Diatomeen: Actinoptychus (links), Trinacria (oben), Triceratium (unten)
REM, Diatomeengröße ca. 100µm, Foto: eyeofscience.de  
 

Die Schalen einiger Muscheln und Schnecken sind so hart, dass sie von potenziellen Fressfeinden nicht oder nur mit Mühe geknackt werden können. Die Schalen sind aus dem Mineral Aragonit aufgebaut. Der Aragonit bildet winzige Plättchen, die wie Dachziegel angeordnet sind, dazwischen werden schraubenartige, elastische Eiweißmoleküle eingelagert. Dies gewährleistet, dass der an sich harte und spröde Aragonit nicht splittert. Bei den Knochen der Wirbeltiere bewirken die Gerüsteiweiße eine hohe Elastizität. 
 


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Plättchen-Struktur des Aragonits bei den Seeohren-Schnecken
REM, Bildbreite ca. 200µm; Foto: eyeofscience.de   
 

Die Natur hat zahlreiche, weitere Anwendungen erfunden. Wir müssen nur lernen, genau hinzusehen, dann ergibt sich ein weitreichendes Potenzial für nützliche Entwicklungen in der Technik. Schmutz- und wasserabweisende Schichten für Autolacke, Brillengläser oder Textilien beruhen auf dem Prinzip des Lotoseffekts. Nach dem Haftprinzip der Geckos lassen sich beispielsweise neuartige Klebstoffe herstellen. In der Medizin wäre die Vorstellung faszinierend, wenn man mit Nanomotoren durch den menschlichen Körper fahren könnte, um so Defekte und Krankheiten zu heilen.  
     
  
Technische Anwendungen der Nanotechnologie 
 
Copyrights: T. Seilnacht (Text und einige Bilder) 
eye of science (gekennzeichnete Bilder)
 www.seilnacht.com