Salvinia-Effekt

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Salvinia molesta bei verschiedenen Vergrößerungen. In der REM-Aufnahme d) sind die wasserabstoßenden Wachskristalle und die wachsfreien (hydrophilen) Zellen an den Spitzen der Haare zu sehen.

Der Salvinia-Effekt beschreibt die dauerhafte Stabilisierung einer Luftschicht auf einer Oberfläche unter Wasser. Basierend auf biologischen Vorbildern (z. B. Schwimmfarne (Salvinia), Rückenschwimmer (Notonectidae)) eröffnen biomimetische technische Salvinia-Oberflächen u. a. die Möglichkeit der Beschichtung von Schiffen, die reibungsreduziert (erste prototypische Oberflächen zeigten eine Reibungsreduktion von bis zu 30 %[1]) auf einer Luftschicht durch das Wasser gleiten und Energie und Emissionen einsparen. Voraussetzungen sind extrem wasserabstoßende superhydrophobe Oberflächen mit bis zu mehrere Millimeter langen haarartigen gekrümmten und elastischen Strukturen, die unter Wasser die Luftschicht einschließen. Der Salvinia-Effekt wurde von dem Biologen und Bioniker Wilhelm Barthlott (Universität Bonn) und Mitarbeitern entdeckt und seit 2002 systematisch an Tieren und Pflanzen untersucht. Publikationen und Patentierungen erfolgten zwischen 2006 und 2015[2][3][4][5][6][5][7][8][9]. Schwimmfarne mit extrem kompliziert geformten Haaren[10] und der Rückenschwimmer mit einer komplexen Doppelstruktur aus Haaren (Setae) und Microtrichia erwiesen sich als geeignete biologische Vorbilder. Drei der etwa zehn bekannten Salvinia-Arten zeigten darüber hinaus die erstaunliche, scheinbar paradoxe Besonderheit einer chemischen Heterogenität[5]: hydrophile Haarspitzen, die die Luftschicht zusätzlich stabilisieren[6].

Salvinia, Notonecta und andere Lebewesen mit Luft haltenden Oberflächen

Riesen-Salvinia (Salvinia molesta), halb in Wasser getaucht. Der silbrige Glanz ist auf die Lichtreflexion an der Grenzfläche zwischen Luftschicht und Wasser zurückzuführen.
Das Bild zeigt einen Gemeinen Rückenschwimmer (Notonecta glauca) unter Wasser. Der silbrige Glanz ist auf die Lichtreflexion an der Grenzfläche zwischen der von den Deckflügeln gehaltenen Luftschicht und dem umgebenden Wasser zurückzuführen.
Flügel von Notonecta: die dem Wasser zugewandte Flügelseite weist eine hierarchische Struktur von langen Haaren (Setae) und einen Flaum von Microtrichia auf.

Werden extrem wasserabweisende (superhydrophobe), strukturierten Oberflächen unter Wasser getaucht, so wird Luft, für eine begrenzte Zeit, zwischen den Strukturen eingeschlossen und von der Oberfläche gehalten. Die untergetauchten Oberflächen weisen dann einen silbrigen Glanz aufgrund der Lichtreflexion an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser auf, siehe Totalreflexion.

Langfristig haltende Luftschichten sind auch von unter Wasser lebenden Arthropoden bekannt, die über diese "Luftglocke" (Plastron) atmen: beispielsweise die Wasserspinne (Argyroneta aquatica) und die Grundwanzen (Aphelocheirus).

Luftschichten dienen auch zur Reibungsreduktion bei sich schnell unter Wasser bewegenden Tieren, wie dem Rückenschwimmer Notonecta[11].

Die besten bekannten Beispiele für eine langzeitstabile Lufthaltung unter Wasser sind die Schwimmfarne der Gattung Salvinia. Sie sind mit etwa zehn sehr unterschiedlich großen Arten in stehenden Gewässern aller wärmeren Gebiete der Erde anzutreffen, eine Art (Salvinia natans) kommt auch in Mitteleuropa vor. Das Halten der Luft ist hier vermutlich eine Überlebensstrategie der Pflanzen. Die Oberseite ihrer Schwimmblätter ist stark Wasser abweisend und weist eine äußert komplizierte und artspezifisch sehr unterschiedliche samtige Behaarung auf[10]. Bei einigen Arten sind die immer vielzelligen 0,3–3 mm langen Haare einzelstehend (z. B. Salvinia cucullata), bei Salvinia oblongifolia sind zwei Haare an der Spitze verbunden. Bei Salvinia minima und S. natans stehen vier freie Haare auf einem Sockel. Die komplexesten Haare haben die Riesen-Salvinia Salvinia molesta sowie Salvinia auriculata sowie nahe verwandte Arten: auf einem gemeinsamen Stiel stehen je vier Haare, die aber an der Spitze verbunden bleiben. Das Ganze ähnelt einem mikroskopischen Schneebesen und hat zu dem treffenden Namen „Schneebesen-Haare“ (eggbeater trichomes) geführt. Die gesamte Blattoberfläche - inklusive der Haare - ist mit nanoskaligen Wachskristallen überzogen, die für den Wasser abweisenden Charakter der Oberfläche verantwortlich sind. Die Blattoberflächen sind somit ein klassisches Beispiel für eine „hierarchische Strukturierung“.[10]

Die Schneebesen-Haare von Salvinia molesta und die nahe verwandten Arten (z. B. Salvinia auriculata) zeigen eine zusätzliche bemerkenswerte Eigenschaft. Die vier Zellen der Spitzen sind, im Gegensatz zur übrigen Oberfläche, wachsfrei: also hydrophile Inseln auf einer superhydrophoben Oberfläche. Diese chemische Heterogenität[5] ermöglicht ein „Pinning“ der Wasser-Luftgrenzschicht und durch dieses „Salvinia-Paradox“ optimierte druckstabile und persistente Luftschichten unter Wasser[6][12].

Die Luftschicht der langsam flottierenden Schwimmfarne dient nicht zur Reibungsreduktion. Die ökologisch extrem anpassungsfähige Salvinia molesta ist inzwischen in allen Tropen und Subtropen der Erde eine der bedeutendsten invasiven Pflanzen und wurde somit zu einem wirtschaftlichen und ökologischen Problem[13]. Ihre Wachstumsgeschwindigkeit ist vielleicht die höchster aller Gefäßpflanzen. Sie kann unter optimalen Bedingungen in den Tropen ihre Biomasse innerhalb von vier Tagen verdoppeln. Für ihren ökologischen Erfolg spielt wahrscheinlich der hier beschriebene Salvinia-Effekt eine entscheidende Rolle: die mehrschichtigen flottierenden Matten können vermutlich in der Luftglocke unter Wasser ihre Funktion aufrechterhalten[14].

Funktionsprinzip

Schematische Abbildung der Stabilisierung unter Wasser gehaltener Luftschichten durch hydrophile Strukturspitzen (Salvinia-Paradox)

Der Salvinia-Effekt beschreibt Oberflächen, die durch eine hydrophobe Chemie in Verbindung mit einer komplexen Architektur[15] in nano- und mikroskopischer Dimension in der Lage sind, dauerhaft verhältnismäßig dicke Luftschichten unter Wasser zu halten. Entdeckt wurde das Phänomen bei der Untersuchung von im Wasser lebenden Pflanzen und Tieren, die systematisch 2002–2007[16] von Wilhelm Barthlott und Mitarbeitern an der Universität Bonn untersucht wurden. Es wurden fünf Kriterien definiert[2][17], die die Existenz stabiler Luftschichten unter Wasser ermöglichen und seit 2009 als Salvinia-Effekt[3] bezeichnet werden: die (1) hydrophobe Chemie der Oberfläche, die in Kombination mit (2) Nanostrukturen eine Superhydrophobie generiert, (3) haarartige mikroskopische einige Mikro- bis mehrere Millimeter hohe Strukturen die (4) Hinterschneidungen aufweisen und (5) elastisch sind. Elastizität scheint für die Kompression der Luftschicht unter wechselnden hydrostatischen Bedingungen wichtig zu sein.[9] Als zusätzlich optimierendes Kriterium können chemische Heterogenitäten durch hydrophile Pins (Salvinia-Paradox[6][12]) hinzukommen. Es handelt sich um das Paradebeispiel einer hierarchischen Strukturierung auf mehreren Ebenen[3].

In der Biologie sind Salvinia-Effekt-Oberflächen immer in relativ kleine Kompartimente mit einer Länge von etwa 0,5–8 cm fragmentiert und die Ränder durch eine besondere Mikroarchitektur[10][18] vom seitlichen Entweichen der Luft geschützt. Diese Kompartimentierung mit ihren Randeffekten[8] sind für die technische Umsetzung von Bedeutung.

Im Folgenden wird das Funktionsprinzip am Beispiel von Salvinia molesta erklärt.[6] Ihre Blätter sind in der Lage, unter Wasser eine Luftschicht langzeitstabil (mehrere Wochen) an ihrer Oberfläche zu halten. Wird ein Blatt unter Wasser gezogen, so zeigt sich der zuvor beschriebene silbriger Glanz an der Blattoberfläche. Die Besonderheit bei Salvinia molesta liegt in der Langzeitstabilität. Während die Luft bei den meisten hydrophoben Oberflächen bereits nach kurzer Zeit verschwunden ist, ist Salvinia molesta in der Lage, sie für mehrere Tage, sogar Wochen zu halten, wobei die Dauer lediglich durch die Lebenszeit des Blattes limitiert wird.

Die hohe Stabilität der Luftschicht ist auf die zunächst paradox erscheinende Kombination einer superhydrophoben (Wasser abweisenden) Oberfläche mit hydrophilen (Wasser liebenden) Stellen an den Strukturspitzen zurückzuführen.

Beim Untertauchen gelangt aufgrund des superhydrophoben Charakters der Oberfläche kein Wasser zwischen die Haare und somit wird eine Luftschicht eingeschlossen. Das Wasser wird jedoch durch die vier wachsfreien (hydrophilen) Zellen an der Spitze jedes Haars festgehalten.

Dieses „Festhalten“ sorgt nun für eine Stabilisierung der unter Wasser gehaltenen Luftschicht. Das Prinzip ist in der Abbildung gezeigt.

Hier sind schematisch zwei unter Wasser getauchte, Luft haltende Oberflächen dargestellt: Auf der linken Seite eine rein hydrophobe Oberfläche, auf der rechten Seite eine Oberfläche mit hydrophilen Spitzen.

Wird nun ein Unterdruck angelegt, so bildet sich im Fall der rein hydrophoben Oberfläche (links) recht schnell eine Luftblase, die sich über mehrere Strukturen erstreckt, da das Wasser lediglich auf den Strukturspitzen aufliegt. Diese Blase kann schnell anwachsen und sich ablösen. Die Luft steigt an die Oberfläche und die Luftschicht wird bis hin zu ihrem völligen Verschwinden verringert.

Im Fall der Oberfläche mit hydrophilen Spitzen (rechts) wird das Wasser durch die hydrophile Stelle an der Spitze jeder Struktur „festgepinnt“ (gebunden). Durch diese Bindung ist das Bilden einer Luftblase, die sich über mehrere Strukturen erstreckt, erheblich erschwert, da dazu zunächst eine bzw. mehrere Bindungen gelöst werden müssen. Dies bedeutet einen sehr viel größeren Energieaufwand. Somit ist ein wesentlich höherer Unterdruck erforderlich, um eine große Luftblase zu bilden, die sich ablösen und an die Oberfläche aufsteigen kann.

Biomimetische technische Anwendung

Schematische Darstellung zum Vergleich der Strömungsprofile von Wasser auf einer Festkörperoberfläche und einer Luft haltenden Oberfläche

Für technische Anwendungen sind unter Wasser Luft haltende Oberflächen von großem Interesse. Gelingt es eine solche Oberfläche technisch herzustellen, so könnte man beispielsweise Schiffsrümpfe damit beschichten, um so die Reibung mit dem umgebenden Wasser zu verringern und erhebliche Mengen an Treibstoff und damit verbundenen Kosten einzusparen sowie schädliche Umwelteinflüsse (Antifouling-Effekt durch die Luftschicht) zu verringern.[19] Bereits 2007 liefen zwei Versuchsboote mit einer um rund 10 % reduzierten Reibung,[16] und das Prinzip wurde in der Folge patentiert.[4] Inzwischen geht man davon aus, dass die Reibungsreduktion über 30 % liegt.[1]

Das zugrundeliegende Prinzip ist in der Abbildung schematisch dargestellt. Es zeigt den Vergleich der Strömungsprofile von Wasser das laminar über eine Festkörperoberfläche bzw. eine Luft haltende Oberfläche strömt.

Strömt das Wasser über eine glatte Festkörperoberfläche, so ist seine Geschwindigkeit direkt an der Oberfläche aufgrund der Reibung zwischen den Wassermolekülen und den Festkörpermolekülen gleich null. Wird nun eine Luftschicht zwischen den Festkörper und das Wasser eingebracht, so zeigt sich, dass die Geschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft in diesem Fall ungleich Null ist. Durch die geringe Viskosität der Luft (55-mal niedriger als die Viskosität von Wasser), wird die Übertragung der Reibungskräfte um den gleichen Faktor reduziert.

Die Forscher arbeiten derzeit daher an der Entwicklung einer biomimetischen unter Wasser permanent Luft haltenden Oberfläche nach dem Vorbild von Salvinia molesta, die dann zu Reibungsreduktion auf Schiffen aufgebracht werden kann.

Weblinks

Literatur

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  • Wilhelm Barthlott u. a.: The Salvinia Paradox: Superhydrophobic Surfaces with Hydrophilic Pins for Air Retention Under Water. In: Advanced Materials. Band 22, Nr. 21, 2010, S. 2325–2328, doi:10.1002/adma.200904411.
  • P. Ditsche-Kuru, M. J. Mayser, E. S. Schneider, H. F. Bohn, K. Koch, J.-E. Melskotte, M. Brede, A. Leder. M. Barczewski, A. Weis, A. Kaltenmaier, S. Walheim, Th. Schimmel, W. Barthlott: Eine Lufthülle für Schiffe – Können Schwimmfarn und Rückenschwimmer helfen Sprit zu sparen? In: A. B. Kesel, D. Zehren (ed.): Bionik: Patente aus der Natur −5. Bremer Bionik Kongress. A. B. Kesel & D. Zehren. Bremen 2011, Seiten 159–165.
  • Bharat Bhushan: Salvinia Effect. In: Biomimetics: bioinspired hierarchical-structured surfaces for green science and technology. Springer, Berlin/New York 2012, ISBN 978-3-642-25407-9, S. 179–186.
  • W. Konrad, C. Apeltauer, J. Frauendiener, W. Barthlott, A. Roth-Nebelsick: Applying methods from differential geometry to devise stable and persistent air layers attached to objects immersed in water. In: Journal of Bionic Engineering. Band 4, Nr. 6, 2009, doi:10.1016/S1672-6529(08)60133-X.
  • S. Klein: Effizienzsteigerung in der Frachtschifffahrt unter ökonomischen und ökologischen Aspekten am Beispiel der Reederei Hapag Lloyd, Projektarbeit Gepr. Betriebswirt (IHK), Akademie für Welthandel, 2012.
  • W. Baumgarten, B. Böhnlein, A. Wolter, M. Brede, W. Barthlott, A. Leder: Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Stabilität von Luft-Wasser Grenzflächen an biomimetischen, Luft haltenden Beschichtungen. In: B. Ruck, C. Gromke, K. Klausmann, A. Leder, D. Dopheide (Hrsg.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. 22. Fachtagung, 9.–11. September 2014, Karlsruhe; (Tagungsband). Karlsruhe, Dt. Ges. für Laser-Anemometrie GALA e.V., ISBN 978-3-9816764-0-2, S. 36.1–36.5 (Online).
  • M. Rauhe: Salvinia-Effekt Gute Luft unter Wasser. In: LOOKIT. Nr. 4, 2010, S. 26–28.

Einzelnachweise

  1. ↑ a b J.-E. Melskotte, M. Brede, A. Wolter, W. Barthlott, A. Leder: Schleppversuche an künstlichen, Luft haltenden Oberflächen zur Reibungsreduktion am Schiff In: C. J. Kähler, R. Hain, C. Cierpka, B. Ruck, A. Leder, D. Dopheide (ed.): Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik. München 2013, Beitrag 53.
  2. ↑ a b A. Solga, Z. Cerman, B.F. Striffler, M. Spaeth, W. Barthlott: The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces. In: Bioinspir. Biomim. Band 4, Nr. 2, 2007, S. 126–134.
  3. ↑ a b c Kerstin Koch, Holger Florian Bohn, Wilhelm Barthlott: Hierarchically Sculptured Plant Surfaces and Superhydrophobicity. In: Langmuir. Band 25, Nr. 24, 15. Dezember 2009, S. 14116–14120, doi:10.1021/la9017322.
  4. ↑ a b Patent WO2007099141A2: Non-Wettable Surfaces. Veröffentlicht am 7. September 2007, Erfinder: W. Barthlott, B. Striffler, A. Schrrieble, T. Stegmaier, B. Striffler, V. von Arnim.‌
  5. ↑ a b c d Patent DE102008007426A1: Unbenetzbare Oberflächen. Veröffentlicht am 6. August 2009, Erfinder: W. Barthlott, B. Striffler, S. Wiersch, Z. Cerman.‌
  6. ↑ a b c d e Wilhelm Barthlott u. a.: The Salvinia Paradox: Superhydrophobic Surfaces with Hydrophilic Pins for Air Retention Under Water. In: Advanced Materials. Band 22, Nr. 21, 2010, S. 2325–2328, doi:10.1002/adma.200904411.
  7. ↑ M.J. Mayser, W. Barthlott: Layers of air in the water beneath the floating fern Salvinia are exposed to fluctuations in pressure. In: Integrative and Comparative Biology. 2014, S. 1–7, doi:10.1093/icb/icu072.
  8. ↑ a b M.J. Mayser, H.F. Bohn, M. Reker, W. Barthlott: Measuring air layer volumes retained by submerged floating-ferns Salvinia and biomimetic superhydrophobic surfaces. In: Beilstein Journal of Nanotechnology. Band 5, 2014, doi:10.3762/bjnano.5.93.
  9. ↑ a b P. Ditsche, E. Gorb, M. Mayser, S. Gorb, T. Schimmel, W. Barthlott: Elasticity of the hair cover in air-retaining Salvinia surfaces. In: Applied Physics A. 2015, ISSN 0947-8396, doi:10.1007/s00339-015-9439-y.
  10. ↑ a b c d Wilhelm Barthlott, Sabine Wiersch, Zdravko Čolić, Kerstin Koch: Classification of trichome types within species of the water fern Salvinia, and ontogeny of the egg-beater trichomes. In: Botany. Band 87, Nr. 9, 1. September 2009, S. 830–836, doi:10.1139/B09-048.
  11. ↑ Petra Ditsche-Kuru, Erik S. Schneider, Jan-Erik Melskotte, Martin Brede, Alfred Leder, Wilhelm Barthlott: Superhydrophobic surfaces of the water bug Notonecta glauca: a model for friction reduction and air retention. In: Beilstein Journal of Nanotechnology. Band 2, Nr. 1, 10. März 2011, S. 137–144, doi:10.3762/bjnano.2.17.
  12. ↑ a b M. Amabili, A. Giacomello, S. Meloni, C. M. Casciola: Unraveling the Salvinia Paradox: Design Principles for Submerged Superhydrophobicity. In: Advanced Materials Interfaces. Band 2, Nr. 14, 2015, doi:10.1002/admi.201500248.
  13. ↑ http://www.environment.gov.au/biodiversity/invasive/weeds/publications/guidelines/wons/pubs/s-molesta.pdf
  14. ↑ Zdenek Cerman, Boris F. Striffler, Wilhelm Barthlott: Dry in the Water: The Superhydrophobic Water Fern Salvinia – a Model for Biomimetic Surfaces. In: Stanislav N. Gorb (Hrsg.): Functional Surfaces in Biology. Springer Netherlands, 2009, ISBN 978-1-4020-6696-2, S. 97–111.
  15. ↑ Konrad, Apeltauer, Frauendiener, Barthlott, Roth-Nebelsick: Applying methods from differential geometry to devise stable and persistent air layers attached to objects immersed in water. 2009, S. 350–356.
  16. ↑ a b BMBF-Projekt PTJ-BIO/311965A: "Superhydrophobe Grenzflächen - ein mögliches Potenzial für hydrodynamische technische Innovationen", Bonn 2002–2007
  17. ↑ M. Mail, B. Böhnlein, M. Mayser, W. Barthlott: Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen In: A. B. Kesel, D., Zehren (ed.): Bionik: Patente aus der Natur – 7. Bremer Bionik Kongress. , Bremen 2014, Seiten 126 – 134. ISBN 978-3-00-048202-1
  18. ↑ Alexander Balmert, Holger Florian Bohn, Petra Ditsche-Kuru, Wilhelm Barthlott: Dry under water: Comparative morphology and functional aspects of air-retaining insect surfaces. In: Journal of Morphology. Band 272, Nr. 4, 2011, S. 442–451, doi:10.1002/jmor.10921.
  19. ↑ S. Klein: Effizienzsteigerung in der Frachtschifffahrt unter ökonomischen und ökologischen Aspekten am Beispiel der Reederei Hapag Lloyd. Projektarbeit Gepr. Betriebswirt (IHK), Akademie für Welthandel, 2012.
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