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Salvina

Intelligente Oberflächen: Reibungsminimierung durch Salvinia-Effekt

KIT, Universität Bonn und Universität Rostock

Ansprechpartner: Stefan Walheim
Email: stefan.walheim@kit.edu
Telefon: 0721/608-26310

Ansprechpartner: Thomas Schimmel
Email: thomas.schimmel@kit.edu


Der Salvinia-Effekt: Perspektiven für bionische Schiffsbeschichtungen

Stefan Walheim, Matthias Barczewski, Aaron Kobler, Daniel Gandyra, Matthias Mail, Wilhelm Barthlott ,Thomas Schimmel
Epoxidharzstruktur mit Salvinia®-Effekt
Salvina-Effekt
Die Luft-Wasser-Grenzfläche wird durch die Trichome gestützt und an deren Enden gepinnt. Die Oberfläche der schneebesenartigen Trichome (c) ist mit Nanoskaligen Wachskristallen überzogen. Nur die Endzellen an der Spitze jedes Trichoms sind frei von Wachs.
Unterdruckstabilität einer künstlichen lufthaltenden Struktur
Bestimmung der Unterdruckstabilität einer künstlichen Struktur. Mit Salvina®-Effekt (rechts) wird die Luft deutlich stabiler gehalten.

Das Schiff, das auf Luft gleitet:

Mit einem völlig neuartigen Konzept soll, der Energieverbrauch von Schiffen drastisch reduziert werden: Schiffe verbrauchen den größten Teil ihrer Antriebsenergie, um die Reibung zwischen Schiffsrumpf und Wasser zu überwinden. Umgäbe man das Schiff mit einer permanenten Schicht aus Luft, so würde der Energieverbrauch drastisch reduziert. Das entscheidende Problem, wie man nämlich mit einer nanostrukturierten Oberfläche unter Wasser permanent eine Luftschicht halten kann, wurde in jüngster Zeit von uns gelöst. Wir konnten klären, wie der Schwimmfarn Salvinia molesta (Bild oben rechts) beim Untertauchen unter Wasser eine Luftschicht dauerhaft hält, und übertrugen den hiermit gefundenen „Salvinia®-Effekt“ bereits erfolgreich auf von uns hergestellte künstlich strukturierte, technische Oberflächen. Einige davon sind nun schon seit drei Jahren unter Wasser und halten problemlos die Luftschicht.

Ziel ist es nun, den neuartigen Salvinia®-Effekt der permanenten Lufthaltung unter Wasser von dem pflanzlichen Vorbild und den Modelloberflächen im Labor auf Schiffsbeschichtungen zu übertragen. Unsere ersten Untersuchungen zeigen, dass eine technische Umsetzung bei Unterdruck- und Strömungsbelastung deutlich den Oberflächen ohne Salviniaeffekt überlegen sind.

Salviniaeffekt:

Wird der Schwimmfarn vom Wind oder einer Ente unter Wasser gedrückt, kann er blitzschnell ein
Luftkleid aufbauen und so ein paar Tage unter Wasser überleben. Wie schafft es aber die Pflanze,
die Luft im nassen Element nicht entwischen zu lassen?
Das Blatt muss nicht nur Stauraum für die Luft bieten, es dürfen auch keine Luftblasen aus dem Haarkleid entweichen. Der Farn muss ja noch atmen können. Das Verblüffende ist, das Salvinia molesta die dünne Luftschicht mühelos 14 Tage unter Wasser „einzusperren“ vermag.
Für technologische Anwendungen war die Entschlüsselung dieses Effekts von höchstem Interesse. „Aber keiner verstand bisher, wie der Farn das macht“, sagt Schimmel. „Bei den bisherigen Versuchen mit künstlichen Oberflächen perlte die Luft meist bereits nach wenigen Minuten aus dem Haarkleid heraus.“
Wie Schimmel und Barthlott mit ihren Forscherteams entdeckten, ist die Lösung in der Natur einfach und genial zugleich: Die Oberfläche der einzelnen Härchen ist zwar Wasser abstoßend, ihre Spitzen hingegen sind extrem Wasser liebend – sie halten den Wasserfilm regelrecht fest.
Wenn das Wasser sich von den Oberflächenspitzen der Härchen lösen will, weil sich eine Luftblase bildet, bleibt der Wasserfilm an dieser Grenzschicht, wo die Lufthülle endet und der Wasserfilm beginnt, festgeklebt.
Im Labor konnte das Team um Professor Schimmel den Salvinia-Effekt ganz einfach demonstrieren:
Die Wasser liebenden Fleckchen der Haarspitzen wurden einfach mit einer Wasser abstoßenden Nanoschicht abgedeckt. Plötzlich war die Pflanze nicht mehr in der Lage Luft festzuhalten. Sobald die künstliche Oberfläche wieder mit Nanoklebepunkten an der Haarspitze versehen wurde, konnte die Pflanze auch wieder eine Luftschicht halten. Es ist dem Team auch gelungen, durch Messungen festzustellen, bei welchem Unterdruck die Luft verloren geht.
Ein einzelnes, lebendes Pflanzenhaar chemisch so zu behandeln, dass es biologisch nicht beschädigt wird, sei eine Herausforderung gewesen, so Schimmel – und nur mit sorgfältiger Beobachtung, Kreativität und guter Zusammenarbeit zu bewältigen. Zudem brauchte es eine gute Apparatur: Da es kein Gerät gab, mit dem sich der Effekt an der lebenden Pflanze untersuchen ließ, bauten die Karlsruher eines. Für die Lösung von Umwelt- und insbesondere Klimaproblemen ist die Entdeckung der Karlsruher und Bonner Wissenschaftler sehr bedeutsam.