Experimente zum Lotos- und Geckoeffekt

Stoffe  Kohlrabiblatt, Wasser, Kohlrabi- und Salat-Blätter, Wachspapier, Kohlepulver oder Ruß, Mehl, fein zerteilte Gartenerde, Textilstück aus Wolle, Textilstück mit hydrophober Nano-Beschichtung (aus der NanoboX der VCI), Klebstoff auf Wasserbasis, selbsthaftender Stoff, Papier 80g, Kunststoff-Folie, Glasreiniger

Geräte  Objektträger, Kerze, Pipette, Glasplatte ca. 20x30xm aus Bilderrahmen, Geodreieck mit Winkelmessung, Schere, Eimer

• Gib auf ein Textilstück aus Wolle einen Wassertropfen und beschreibe die Form des Tropfens!
• Erzeuge Tropfen, die der Kugelform am besten entsprechen!
• Erläutere die Form des Wassertropfens anhand der Oberflächenspannung.
• Warum geht der Tropfen nicht in das Gewebe?
• Erläutere den Nachteil dieses Effekts beim Waschen.
• Wie wird das Problem durch die Waschmittel gelöst?
• Beschmutze ein Kohlrabiblatt mit Kartoffelstärke und lass Wassertropfen darüber laufen.
• Tauche das Kohlrabiblatt in einem Wassereimer unter Wasser. Lässt es sich benetzen?
• Führe die gleichen Versuche mit anderen Blättern und Materialien durch (Salatblatt, nanobeschichtetes Textilstück, Wachspapier, normales Papier).
• Experimentiere mit verschiedenartigen Verschmutzungen (Kohlepulver, Mehl, Ruß als Verbrennungsprodukt von Papier, u.a.).
• Haftet ein Klebstoff auf Wasserbasis am Blatt?
• Wie löst das Kohlrabiblatt das Problem? Betrachte dazu ein elektronenmikroskopisches Bild der Blattoberfläche einer Lotospflanze!
• Haften die Schmutzteilchen besser am Wasser oder besser an der Blattoberfläche?
• Erkläre den Lotoseffekt mit deinen eigenen Worten!
• Erstelle eine Zeichnung wie du dir den Effekt eines selbstreinigenden Autolacks im Modell erklärst.
• Zusatzaufgabe: Besorge dir die Samen der Kapuzinerkresse und züchte die Pflanze. Experimentiere mit den Blättern!

 
Experimentreihe 2: Adhäsionswirkung bei zwei festen Stoffen

Man kann zuerst den Gecko und seine Leistungen vorstellen. Interessant wäre auch die Frage, ob ein Gecko auf Teflon oder auf einer mit Sand oder Mehl beschichteten Glasplatte laufen kann. Die Antwort dazu wird zunächst nicht gegeben.
 
Eine 20x30cm große Glasplatte aus echtem Glas mit abgeschliffenen Kanten wird in einem Winkel so schräg gestellt (beispielsweise 30° Neigung), dass ein 2x2cm großes Papierquadrat gerade noch haftet. Man muss darauf achten, dass die Glasplatte zunächst absolut fettfrei ist und dass die ausgeschnittenen Papierstücke (80-Gramm-Papier) völlig plan sind. Die Papierstücke werden angedrückt. Man kann die Versuchsreihe auch mit Kunststoff-Folien durchführen. Nun sollen die Schüler herausfinden, wodurch die Haftung beeinflusst wird:

• Untersuche, ob das Papierstück haften bleibt oder herunterrutscht!
• Wie beeinflusst der Neigungswinkel das Ergebnis?
• Verändert sich die Haftung, wenn die Papierstücke vorher mit Kartoffelstärke "verschmutzt" wurden?
• Suche nach weiteren Ideen wie die Haftung verbessert oder verschlechtert werden kann!

• Wie verhalten sich Wassertropfen auf anderen Materialien beispielsweise auf Kunststoffen, auf Textilien oder anderen wasseranziehenden Stoffen, auf unterschiedlichen Papiersorten?
• Lassen sich zwei Glasplatten (z.B. Objektträger) auseinanderziehen, wenn man eine Wasserschicht dazwischen legt? Wie bekommt man sie auseinander?

Ein Wassertropfen haftet je nach Material unterschiedlich. Wenn er darauf schlechter haftet, nähert sich seine Form einer Kugel an, und er gleitet leichter darüber. Dies ist bei Verschmutzungen oder bei einer Rußschicht der Fall. Wenn er gut haftet, flacht die Kugelform ab oder sie wird zerstört. Dies ist auf einer sauberen Glasplatte der Fall. Filterpapiere wirken wasseranziehend, sie saugen sich mit Wasser voll. Legt man eine Wasserschicht zwischen zwei Glasplatten, wird die Haftung enorm vergrößert.
 
Das Lotosblatt hat auf seiner Oberfläche Noppen, die mit Wachskügelchen besetzt sind. Diese verhindern den Kontakt mit dem Wassertropfen. Auch Schmutzteilchen finden keinen guten Halt, sie werden mit den Wassertröpfchen aus dem Regen abgewaschen. So funktioniert das Selbstreinigungsprinzip in der Natur. Eine Verschmutzung auf den Blättern muss die Lotospflanze unbedingt verhindern, da sie sehr viel Sonneneinstrahlung braucht, um ihre großen Blüten zu entwickeln.
 
Der Gecko hat an seinen Füßen viele Härchen mit aufgespaltenen Enden. Die unglaubliche Summe von einer Milliarde solcher Enden pro Gecko ermöglichen insgesamt eine hervorragende Haftung auf dem Untergrund. Ein feuchter Untergrund verbessert diese Haftwirkung noch zusätzlich. Auf Antihaftbeschichtungen wie Teflon rutscht selbst der Gecko aus. An Glasplatten haftet er dagegen hervorragend.