Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung „Bionik I“

Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich

Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt

Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

Kongo-Rosenkäfer (Pachnoda marginata)

Amurnatter (Elaphe schrencki schrencki)

Dunkelkäfer der Namib (Stenocara sp.)

Wasserbrotwurzel (Colocasia esculenta)

Gletscherfloh (Isotoma saltans)

Weißhai (Carcharhinus)

Sandskink der Sahara (Scincus scincus)Painted Lady (Vanessa kershawi)

Biologische

Mikro- & Nano-Strukturen

?

?

Der Lotus-Effekt

In Asien gilt die Lotus-Pflanze alsreligiöses Symbol

der Reinheit.

Lotus-Effekt

an einem Kohlblatt

Foto

: A. R

egab

i El K

hyar

i

Entwicklung der Lotus-Farbe

Bionik-Produkt

REM

Selbstreinigung

30 μm

Testflächen an meiner Hauswand nach 3 ½ Jahren

Lotusan Fassadenfarbe normale Fassadenfarbe

Oberfläche einer Sumpfpflanze

(Botanischer Garten Shanghai)

Glatte wasseranziehende Oberfläche:

Der Wassertropfen fließt über die anhaftenden Schmutzpartikel hinweg

Rauhe wasserabstoßende Oberfläche:

Der Wassertropfen wäscht rollend die wenig haftenden Schmutzpartikel weg

Mechanismus des Lotus-Effekts

Der Lotus-Effekt in Aktion

Wasser

Luft

Festkörper

W/L

F/LW/F

Young-Formel:

L/FL/WW/F cos

Oberflächenspannung und Benetzungswinkel

Adhäsion > Kohäsion Adhäsion < Kohäsion Adhäsion << Kohäsion

Der erweiterte Lotuseffekt

Lotusblatt

1 × 1 cm

Technische Nachbildung

Sekundäre Struktur

Der erweiterte Lotuseffekt

Wassertropfen

Wassertropfen

Prof. Wilhelm Barthlott

Lotuseffekt-Dachziegel mit Photokatalyse-Effekt

Der Mottenaugen-Effekt

130

fach

420

fach

1650 fach

4120 fachMikro-Noppen

Mikro-Optik des Mottenauges

Reflexion von Licht wird durch eine allmähliche Zunahme der optischen Dichte des Glases vermieden.

Mikro-Noppen auf der Glas-oberfläche lassen scheinbar die optische Dichte des Gla-ses langsam anwachsen. Licht

Hummelschwärmer

Der Hummelschwärmer imitiert mit seinen optisch verkleinerten Flügeln eine Hummel (Mimikry)

(Hemaris fuciformis)

Unsichtbare Qualle

?

Geprägte Nanostruktur mit 200 nm Noppenabstand

Eine Mottenaugen-Glasscheibe

Der Mottenaugeneffekt

400 500 600 700 800Wellenlänge

nm

Ref

lexi

on

1

2

3

4

5

6

0

%

Ohne Nanostruktur

Mit Nanostruktur

400 500 600 700 800Wellenlänge

nm

Ref

lexi

on

1

2

3

4

5

6

0

%

Ohne Nanostruktur

Mit Nanostruktur

Wunder Gecko-Fuß

Geckos haften über atomare Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte) an der Wand

Der Gecko an der Wand

500 000 Mikrohaare2 kg (theoretisch)

Ph

oto

: M

. Mo

ffet

Beispiel Zwischenmaß

Eine Gecko-Zehe besitzt 500 000 Borstenhaare

Ein Borstenhaar besitzt 1 000 Nanohaare

Nanostruktur des Gecko-Fußes

Oberfläche 1

Oberfläche 2

Mikrohaar

Nanohaare !

Technische Oberfläche

Der Gecko-EffectAdhäsion durch

Van-der-Waals-Kräfte

Kleine Kontaktfläche

Kleine Adhäsionskraft

Große Kontaktfläche

Große Anhäsionskraft

Kontaktstellen

Synthetische Geckohaare für Spiderman

(New Scientist 15. 05. 2003)

Gecko-Tape

Technik Biologie

Vorteil:

Temporäre Haftung ohne Klebereste

Nebelfänger in der Wüste

Nebel-Ernten in der Namib-Wüste

Dunkelkäfer der Namibwüste

(Stenocara sp.)

Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence

10 mHydrophobe Basisoberfläche

Hydrophile Kuppen

Ähnlich dem Lotus-Effekt ®

Nebeltröpfchen

Hydrophile Kuppen

Hydrophobe Noppen

Nebeltröpfchen

Hydrophile Kuppen

Hydrophobe Noppen

Kondensation

Nebeltröpfchen

Hydrophile Kuppen

Hydrophobe Noppen

Gesammelter Tau

Zum Käfermund

Lufts

trom

Experiment von Parker und Lawrence

Sprühflasche

Ventilator

Wächserne Oberfläche

Glaskügelchen

Der Sandfisch-Effekt

Foto

: A. R

egab

i El K

hyar

i

Sandfisch ?

Der Sandfisch der Sahara

Reibung

Abrieb

Ladungsemission

Eigenschaften der Sandfischschuppe

M. Zwanzig, IZM

8µm

Sandströmung

Schuppe

Feld-arbeitin derSahara

Erg Chebbi

Mein Sahara Labor

GPS:

N 31° - 15‘ – 02“

W 03° - 59‘ – 13“

Einfaches Granulat-Reibmessgerät für Feldversuche

Handstellhebel

ObjektplattformReibwinkelskala

Granulatkanüle

Zur Messung des dynamischen Reibungskoeffizienten

Sandskink

Messung des Sand-Gleitwinkels

Sand fließt

Sand stoppt

20°

18°

Gleitreibung:

Sandfisch im Vergleich zu technischen Materialien

Sahara-Messung 2002

0

50

100

150

200

Ski

n k

Sa

nd

Gle

itwin

kel

25 0

300

35 0

400

0

Sta

hl

Gla

s

Teflo

n

Nyl

on

Reibungsmessung mit einem sandgefüllten Zylinder

Reibungs-gleitwinkel:

Stahl = 19°

Sandskink = 12° Caudal

Sandskink = 18° Cranial

Sand-Zylinder- Messungen

58 %

Skink

Stahl

15 16 18 20 20 21 21 21 21 24 24 25 25 26 26 27 30 30 ste August

25

20

15

10

5

0

0

0

0

0

0

0

Sand

glei

t win

kel

Sandfischschuppe unter dem Rasterelektronenmikroskop

8µm

Sand Strömung

Rücken Bauch

50 nm Ø

Schuppe

Schwellenstruktur in Schrägansicht

6 µm

Sandströmung

Größenrelation

Sandkorn auf Mikroschwellen

Gle

itri

ch

tun

g

Abrieb der Sandfischschuppen

technische Oberflächen im Sandwind schnell matt werden !

Die Sandfischhaut glänzt immer

während

Zur Abrasionsfestigkeit

Einfache Vorrichtung für die Abriebversuche

30 cm

Sandtrichter

Sandstrahl

Objektplattform

Auftreffpunkt des Sandstrahls

Sandstrahlzeit: 10 Stunden !

Abriebfleck:Stahl

Glas

Sandabrieb unter dem Microskop

Vorher Nachher

2 Stunden Strahlzeit

20 cm Strahlhöhe

Glas Vergrößerung ≈ 200

Sandfisch Vergrößerung ≈ 1000 Sandfisch Vergrößerung ≈ 1000

Mit Tesafilm abgedeckt Sandstrahlerosion

Sandfisch

Parallelevolution

Sandboa

Sandskink

Parallelevolution

Sandfisch Sandboa

Keilschleiche Sphenops sepsoides

Parallelevolution

Querschwellen

Statische Elektrizität im Sandsturm

Elektrische Entladung an einem Sandfischrücken

Triboelektrische Aufladung eines Glasstabs

Triboelektrische Aufladung eines Plastikstabs

Gerichtete Triboelektrizität an der Sandfischschuppe

Electronen-DonatorElectronen-Akzeptor

Sandfischschuppe

Kopf Schwanz

Elektrisch neutrale Sandkörner mit gegensätzlich geladenen Spots

Sandkorn

Elektrostatische Schwebe-Hypothese

Sandfisch

Modernes Sand-Boarding

* Eine Fußnote

Auf der Suche nach neuen Bionik-Projekten

Thema: Abriebfestigkeit der Wüstenflora

Tamariske

Ende

www.bionik.tu-berlin.de