Nach Pogo-Stick-Prinzip: Forscher verbessern Lotoseffekt

Schmutzpartikel entfernen sich künftig von selbst: Ein Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, bei der kleinste Verunreinigungen von Oberflächen springen, sobald sie mit Wasser in Kontakt kommen. Ohne eine speziell strukturierte Beschichtung – das könnte den Lotoseffekt ersetzen. Ihre ersten Ergebnisse stellten sie in einem Experiment vor. Bis zur Alltagstauglichkeit gibt es allerdings noch ein paar Probleme zu lösen.

Oberflächen, die nie gereinigt werden müssen, weil sie von allein jedem Schmutz abstoßen – das klingt traumhaft. Bisher jedoch lässt sich das nur zum Teil realisieren, beispielsweise durch den Lotus-Effekt. Bei diesem sorgt eine nanostrukturierte Oberfläche dafür, dass Schmutzteilchen nicht haften und von herabrollenden Wassertropfen mitgenommen werden.

Doch Beschichtungen nach Lotus-Effekt-Prinzip haben einen Haken: Ihre Nanostrukturen sind oft anfällig und werden durch Witterung und andere Umwelteinflüsse beschädigt. Ohne diese wasserabweisende Oberfläche jedoch ist auch die selbstreinigende Wirkung dann schnell dahin.

Ein neuer Ansatz

Chuan-Hua-Cheng von der Duke University will sich deshalb von der Abhängigkeit solcher Oberflächen lösen. Er arbeitet mit seinem Team an einer Methode, bei der Schmutzpartikel von einem beliebigen Untergrund abspringen, sobald sie von Wassertropfen getroffen werden.

Das auftreffen der Wassertropfen sorgt dafür, dass die Glaspartikel von der Oberfläche weg springen. © Roger L. Chavez/ Duke University

Einer von Chengs Kollegen demonstrierte das Prinzip in einem Experiment: Er schoss mit einem Tintenstrahler feine Wassertropfen auf angeraute Glasteilchen, welche sich auf einem teflonbeschichteten Untergrund befanden. Beim Zusammentreffen wurden die Glasteilchen mitsamt der Wassertropfen von der Oberfläche wegkatapultiert.

Der Pogo-Effekt

Ursache für diesen Effekt ist die Energie, die beim Aufprall freigesetzt wird: Sobald die Wassertropfen auf die Glaspartikel treffen, übertragen sie einen Teil ihrer Bewegungsenergie. Diese wird darauf vom zuvor ruhig daliegenden Glaspartikel an den Untergrund, was wiederum zum Absprung führt – ähnlich wie die Interaktion zwischen einem menschlichen Körper und einem Pogo-Stick.

Damit wäre ein Selbstreinigungs-Prozess nicht mehr von der Oberfläche, sondern lediglich von den auf ihr befindlichen Partikeln abhängig, so Cheng. Noch dazu sei es für diesen Effekt nicht nötig, dass der Partikel oder die Oberfläche stark wasserabweisend sind.

Es gibt noch ein paar Dinge zu beachten

Allerdings gibt es noch einige Hürden, bevor ihr Prinzip alltagstauglich werden kann, wie die Forscher einräumen: Nicht jedes Partikel erfüllt die passenden Eigenschaften. So funktioniert der Pogo-Effekt beispielsweise nicht bei Teilchen, die nicht benetzbar sind. Auch elektrostatische Wechselwirkungen, wie sie beispielsweise durch Ionen im Wasser auftreten könne, stören den Reinigungseffekt. Im Laborversuch nutzten die Forscher daher entionisiertes Wasser, für breitere Anwendungen ist dies jedoch nicht immer machbar.

Die Wissenschaftler arbeiten weiterhin an dieser Idee. Es soll nicht nur die Abhängigkeit von hydrophoben Oberflächen entfallen, sondern auch Fortschritte in der Forschung an dem Verteilungsprinzip von Pilzsporen zu erzielt werden. Dieses inspirierte sie zu ihrer Idee. (Roger L. Chavez/Duke University, 2016; (DOI: 10.1063/1.4955085). )

(American Institute of Physics, 07.07.2016 – TKR)