Lotuseffekt. Lexikon Pharmatechnologie - prozesstechnik online

Lexikon Pharmatechnologie

Lotuseffekt

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Aus der Botanik bekannter Effekt.

Lotusblätter haben die Eigenschaft, wasser- und damit auch schmutzabweisend zu sein, wodurch die Blattstruktur äußerst unempfindlich auf Verschmutzungen reagiert. Die Verunreinigungspartikel können infolge der noppenartigen Oberflächenstruktur der Blätter keine effektive Haftgrundlage finden und werden vom (Regen-)Wasser leicht abgespült.

Dieses zunächst verblüffende Phänomen ist auf eher komplexe Ursachenkombinationen zurückzuführen, die letztlich in der wahren Topographie und dem Energieniveau (Oberflächenspannung) und der Wechselwirkung dieser beiden Eigenschaften begründet sind.

Die Adhäsionsfähigkeit (Adhäsion) eines Partikels auf einer Oberfläche hängt von einer Kraftwirkung (Haftkräfte) zwischen den Körpern bzw. deren Grenz- oder Berührungsflächen ab. Diese Kraftwirkung (etwa Van-der-Waals-Kräfte, Wasserstoffbrücken, Gewicht, Feststoffbrücken etc.) wird von den Oberflächenspannungen (= gespeicherte spezifische Oberflächenenergien) der beiden Stoffe und von der wahren Topographie der beiden Stoffoberflächen über die tatsächliche gemeinsame Berührungsfläche bestimmt.

Die Oberflächenspannung in Flüssigkeiten wirkt etwa in der Form, dass deren Oberfläche im Kontakt mit anderen Stoffen bezüglich der Grenzfläche — und in Abhängigkeit von der Oberflächenspannung dieser Stoffe — möglichst klein wird.

Bringt man etwa einen Wassertropfen auf eine feste Oberfläche und hat der Wassertropfen die Oberflächenspannung σ1 und die feste Oberfläche die Oberflächenspannung (Oberflächenenergie) σ2 so gilt Folgendes:

σ1 > σ2: Wassertropfen ist kugelig und zeigt keine Benetzung,

σ1 < σ2: Wasser fließt auseinander und zeigt deutliche Benetzung.

Eine hohe Oberflächenenergie des Festkörpers ermöglicht also eine optimale Adhäsion von Partikeln infolge hoher Van-der-Waals-Kräfte und auch eine deutliche Benetzung (Haftung) durch Wasser.

Wenn nun noch dazukommt, dass die Mikrotopographie der Oberfläche in Relation zur Partikelgröße rau ist und eine optimale Einlagerung der Partikel erlaubt und dabei infolge einer großen wahren Oberflächenausdehnung auch viele Anlagerungsplätze anbietet — für Partikel wie für Wasser – und eine wechselwirkungsbedingte große Oberflächenenergie aufweist, ist die Erklärung für „günstige” Verunreinigungsbedingungen gegeben.

Die Blattoberfläche der Lotuspflanze hat hier offenbar infolge der geringen Oberflächenenergie und der geringen mikrogeometrischen Oberflächenausdehnung — wobei die Noppenstruktur von eher geringer mikrogeometrischer Relevanz ist — optimale Oberflächenverhältnisse betreffend Topographie und Energieniveau, um geringe Adhäsionskräfte anzubieten und Wasser infolge Kugelbildung keine Benetzung zu gestatten.

Die Noppenform wirkt dabei analog den Korngrenzen einer elektrochemisch polierten Edelstahloberfläche minimal oberflächenvergrößernd im Mikrobereich, wodurch bei konstanter Energie der Blattoberfläche die spezifische Oberflächenenergie der Blattoberfläche ein Minimum einnimmt.

Elektropolierte Edelstahloberflächen haben im Vergleich zu mechanisch geschliffenen Oberflächen eine Lotusblatteigenschaft infolge minimaler Topographie und Energieniveau und optimaler Wechselwirkung zwischen diesen beiden Größen, sodass die Haftungswahrscheinlichkeit ein Minimum einnimmt.

Die Rauheit Ra, Rz spielt hier eine untergeordnete Rolle, wobei die Mikrotopographie der Edelstahloberfläche entsprechend an die Größe der Verunreinigungspartikel „angepasst” sein muss.

© 2013 – ECV – Lexikon der Pharmatechnologie

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