lotuseffekt experiment

How the lotus effect was discovered

Willhelm barthlot discovered the lotus effect. the lotus’ highly rough surface, which enables air to get trapped in its cavities, was discovered by barthlott’s investigations..

Wilhelm Barthlott discovered the lotus effect. The lotus’ highly rough surface, which enables air to get trapped in its cavities, was discovered by Barthlott’s investigations.

This prevents condensation from forming and makes it possible for wind to move water droplets across the surface, clearing away dirt particles.This lotus paint is now regarded as a perfect example of a natural world principle being applied to technology. Its microtexture mimics the surface of a lotus leaf thanks to its clever architecture made of filler material.

As a result, it provides an effective solution to one of the most important jobs of facades: water management. Dew, rain, and fog have no chance of sticking to the surface and instead run off. Algae and fungi are deprived of the nutrients they require to grow, resulting in a pristine facade.

The benefits are radiant color intensity, long-lasting UV and weather protection, self-cleaning facades, and a longer life cycle for your buildings. As like the rest of this series, nature has provided the best solution. We just need to realize it.

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• Lotuseffekt

Vielleicht ist es Dir schon mal aufgefallen – übergießt Du z. B. Kohlblätter mit Wasser, saugen diese das nicht auf, sondern das Wasser perlt vom Blatt ab. Doch warum ist das so? Und können das alle Pflanzen? Letzte Frage ist schnell beantwortet: Nein, prinzipiell sind nicht alle Blattoberflächen wasserabweisend. Erstmals wurde der Effekt bei Lotusblättern entdeckt – das stammt auch der Name: Lotuseffekt.

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Können auch Insekten den Lotuseffekt besitzen?

Nenne Beispiele  für Pflanzen , die den Lotuseffekt besitzen.

Woran genau perlen die Wassertropfen bei einem Blatt mit Lotuseffekt ab?

Nenne mindestens drei Beispiele für den Lotuseffekt im Alltag .

Wer entdeckte den Lotuseffekt?

Auf welcher Art von Fläche ist die Benetzung eines Wassertropfens am größten ?

Was für eine Oberflächenbeschaffenheit sorgt bei Pflanzen dafür, dass sie sich selbst reinigen können?

Wird beim Selbstreinigungseffekt der Pflanzen die Adhäsionskraft verringert oder erhöht?

Was versuchen Wassertropfen in der Regel?

Definiere den Lotuseffekt .

Wann wurde die Selbstreinigungsfähigkeit der Lotusblume offiziell entdeckt ? 

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Lotuseffekt – Definition

Beim Lotuseffekt/Lotus-Effekt oder auch Lotoseffekt perlt Wasser auf einer Oberfläche ab und nimmt dabei die vorhandenen Schmutzpartikel mit.

Diese Selbstreinigungsfähigkeit wurde in den 1970ern entdeckt und ab den 1990ern wurden entsprechende technische Produkte entwickelt, die alle mit dem Markennamen Lotuseffekt gekennzeichnet wurden.

Lotuseffekt – Lotusblume

Die besondere Eigenschaft der Lotusblume ist, dass ihre Blätter vollständig wasserabweisend sind – Wasser perlt also einfach an ihnen ab und nimmt dabei sogar noch den angesammelten Schmutz mit. Dadurch sieht die Pflanze nicht nur immer schön sauber aus, diese Fähigkeit schützt die Lotusblätter auch vor Pilzbefall oder dem Befall durch andere Mikroorganismen.

Auch praktisch: mit der Selbstreinigung wird verhindert, dass Schmutz die Spaltöffnungen der Pflanze verschmutzt und die Photosynthese vermindert wird.

Abseits vom Lotuseffekt: Die Lotusblume gilt als Sinnbild für Reinheit und findet sich als Symbol auch häufig im Hinduismus oder Buddhismus wieder. Auch in Kombination mit Yoga könntest Du schon einmal über die Lotusblume als Symbol gestolpert sein. Dort steht sie für die Erleuchtung sowie das "Dritte Auge", welches im Yoga für Erkenntnis und Weisheit steht.

Lotuseffekt Bionik

Bionik setzt sich aus " Biologie " und "Technik" zusammen und beschäftigt sich mit der Übertragung von biologischen Phänomenen auf die Technik.

Ganz einfach gesagt meint die Bionik die Tatsache, dass sich Wissenschaftler*innen etwas von der Natur abschauen. Der Lotuseffekt, der ursprünglich von der Lotusblume stammt, ist dabei nur ein Beispiel. Der Effekt wurde vom deutschen Botaniker Prof. Dr. Wilhelm Barthlott entdeckt, der festgestellt hat, dass die Lotusblume, die in eher schlammigen Gewässern wächst, immer sehr saubere Blätter hat.

Ein weiteres Beispiel ist der Klettverschluss, der sich von Kletten abgeguckt wurde. Kletten verbreiten ihre Samen mithilfe sogenannter "Kletten", die einfach an allem haften bleiben, was sie berühren. Das machte sich ein Schweizer Ingenieur zunutze und entwickelte aus dieser Beobachtung den Dir bekannten Klettverschluss.

Lotuseffekt Funktion

Doch wie genau funktioniert der Lotuseffekt jetzt eigentlich? Dazu solltest Du Dir erst einmal vor Augen halten, wie ein Wassertropfen aufgebaut ist. Wassertropfen sind stets bestrebt, eine Kugelform anzunehmen. Das liegt daran, dass sie eine hohe Oberflächenspannung haben und gleichzeitig versuchen diese Oberfläche möglichst kleinzuhalten. Kommen Wassertropfen mit einer anderen Oberfläche in Kontakt, wirken sogenannte Adhäsionskräfte .

Als Adhäsion wird die Tatsache bezeichnet, dass zwischen den Teilchen (Elektronen oder Ionen) verschiedener Objekte Kräfte wirken. Diese Kräfte werden Adhäsionskräfte genannt.

Diese Adhäsionskräfte haben zur Folge, dass die Wassertropfen auf der Oberfläche z. B. von Blättern landen. Dabei wird auch von "Benetzung" gesprochen.

Bei der Benetzung kann in eine vollständige und eine unvollständige Benetzung unterschieden werden – das hängt von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und der Beschaffenheit der jeweiligen Oberfläche ab. Im Grunde sagt die Benetzung einfach aus, wie kugelförmig ein Tropfen ist – die Benetzung wäre z. B. auf einer glatten Fläche am größten.

Wie kommt es jetzt dazu, dass die Pflanzen sich beim Lotuseffekt selbst reinigen können? Das liegt an der Beschaffenheit der Blattoberfläche der Pflanzen – denn diese besteht aus einer wasserabweisenden (hydrophoben) Doppelstruktur. Diese sorgt dafür, dass die Adhäsionskraft beim Lotuseffekt so stark verringert wird, dass es zu dem typischen Selbstreinigungseffekt kommt.

Noch mal ein kleiner Exkurs zu den Blattstrukturen: Die äußere Schicht eines Blattes heißt Kutikula oder Cuticula, danach folgen die Epidermis, das Palisadengewebe und das Schwammgewebe, dann kommt wieder eine Epidermis sowie eine untere Kutikula.

Bei der Lotusblume ist es nun so, dass die Epidermis etwa 10 bis 20 Mikrometer dick ist und mit Papillen (kleine Erhebungen) ausgestattet ist, die mit einem Abstand von 10 bis 15 Mikrometer angeordnet sind. Auf diesen Erhebungen sind wiederum hydrophobe Wachse aufgelagert, die den zweiten Teil der Doppelstruktur bilden. Die Erhebungen verhindern, dass Wasser in die Zwischenräume der Blattoberfläche gelangen kann.

Lotuseffekt bei Pflanzen

Den Lotuseffekt findest Du nicht nur bei der Lotusblume, auch andere Pflanze und sogar manche Tierarten besitzen diesen Effekt.

Bei Tieren findet sich der Lotuseffekt z. B. bei vielen Insektenflügeln.

Pflanzen, die ebenfalls den Lotus-Effekt benutzen, sind z. B. das Schilfrohr, die Kapuzinerkresse oder auch einfach verschiedene Kohlsorten.

Lotuseffekt – unter dem Mikroskop

Mithilfe eines Elektronenmikroskops lässt sich der Lotuseffekt genauer betrachten. Dabei lässt sich erkennen, dass die Blätter nicht so glatt sind, wie sie sich anfühlen. Wie Du auch in der Abbildung 3 erkennen kannst, besitzen die Lotusblätter viele kleine Noppen, die das Blatt dementsprechend rau machen.

Die Noppen entstehen durch wasserabweisende Wachskristalle, die von den Blattzellen gebildet werden. Gerät nun Schmutz auf das Blatt, sammelt sich dieser an den Noppen und wird mit dem nächsten Regenschauer weggespült.

Lotuseffekt Beispiele

Erste technische Ansätze, um den Lotuseffekt zu imitieren, stammen vom Entdecker Prof. Barthlott, der z. B. versucht hat, Schmutz abweisende Häuserfassaden zu entwickeln. Zu 100 Prozent reichen die Produkte jedoch nicht an den natürlichen Effekt heran.

Im Zuge dessen wurde z. B. eine Fassadenfarbe entwickelt, die eine raue Struktur hat, um den Lotuseffekt nachzuahmen.

Es gibt jedoch einige Produkte, die zumindest nahe an den Effekt der Lotusblätter herankommen oder sich zumindest an ihm orientieren.

Ein Beispiel dafür ist eine Antihaft-Beschichtung für Shampoo-Flaschen. Klingt abwegig? Vermutlich kennst Du selbst das Problem, den letzten Tropfen Shampoo aus der Flasche zu bekommen – gefühlt ist das fast unmöglich.

Kurz gesagt liegt das daran, dass die meisten Mittel sogenannte Tenside enthalten. Die sind dafür dar, dass sich eigentlich nicht mischbare Flüssigkeiten miteinander vermengen lassen – das sorgt allerdings dafür, dass die Oberflächenspannung herabgesetzt wird und dass die Produkte somit an den Innenseiten ihrer Plastikverpackung haften bleiben.

Forscher*innen aus den USA haben für dieses Problem eine neue Art der Innenbeschichtung entwickelt. Dafür werden die Innenseiten der Plastikverpackungen mit Nanopartikeln aus Siliziumdioxid (SiO 2 ) beschichtet. Diese bilden winzig kleine y-förmige Strukturen, an denen die Flüssigkeit abperlt. Somit bleibt das Produkt nicht haften und die Flasche kann nahezu komplett entleert werden.

Noch ein paar weitere Beispiele für den Lotus-Effekt:

• Glasscheiben
• Spezielle Beschichtungen für Textilien oder medizinische Utensilien

Lotuseffekt – Experiment

Wenn Du den Lotus-Effekt jetzt einfach mal selbst ausprobieren willst, schnapp Dir doch einfach mal ein Kohlblatt, etwas Wasser, eine Pipette und Spülmittel. Hast Du gerade keine Pipette zur Hand hast tut es auch ein Strohhalm. Auf einen Teil der Blattoberfläche gibst Du einfach etwas Spülmittel und verreibst es. Tropfe nun etwas Wasser sowohl auf die behandelte als auch auf die unbehandelte Stelle des Blattes.

Beobachtung

Was kann beobachtet werden? Auf den unbehandelten Stellen bilden sich Wassertröpfchen, die beim Bewegen des Blattes hin und her kullern. Auf der mit Spülmittel behandelten Fläche bilden sich keine Tropfen – das Wasser verläuft einfach.

Erklärung

Was passiert? Durch das Spülmittel wird die wasserabweisende Wachsschicht der Blattoberfläche zerstört, dadurch verringert sich die Oberflächenspannung und die Wassertropfen zerfließen.

Lotuseffekt – Das Wichtigste

• Der Lotus-Effekt stammt von der Lotusblume, welche durch die Struktur ihrer Blattoberfläche in der Lage ist, diese sauber zu halten und sich zusätzlich vor Pilzbefall oder dem Befall durch Mikroorganismen zu schützen.
• Beim Lotuseffekt perlt Wasser auf einer Oberfläche ab und nimmt dabei die vorhandenen Schmutzpartikel mit.
• Die Blattoberfläche besitzt eine wasserabweisende Doppelstruktur mit Noppen, die das Wasser davon abhalten, in die Zwischenräume des Blattes zu gelangen.
• Der Lotus-Effekt wird in der Bionik genutzt, um wasserabweisende Techniken zu entwickeln.
• Nanoinformation.at: Der "Lotus-Effekt". (29.08.2022)
• Biologie-seite.de: Lotuseffekt. (29.08.2022)
• Abb. 1 - Photo by Diego Madrigal from Pexels: https://www.pexels.com/photo/pink-water-lily-flower-on-water-539694/
• Abb. 2 - Bild von Hans: https://pixabay.com/de/photos/filz-klette-wollkopf-klette-bl%c3%bcte-8749/
• Abb. 3 - "Microscopic image of a Lotus leaf with some drops of water" von William Thielicke unter der Lizenz CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.de)

Karteikarten in Lotuseffekt 15

• Kapuzinerkresse

Die Wassertropfen perlen an wasserabweisenden Wachskristallen ab, die als mikroskopisch kleine Erhebungen auf dem Blatt zu finden sind.

• Spezielle Beschichtungen für Textilien oder medizinische Utensilien
• Schmutzabweisende Wandfarben
• Antihaft-Beschichtungen für Shampoo-Flaschen

Der Lotuse ffekt wurde vom deutschen Botaniker Prof. Dr. Wilhelm Barthlott entdeckt.

Auf einer glatten Oberfläche

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Häufig gestellte Fragen zum Thema Lotuseffekt

Was ist der Lotuseffekt? 

Wenn eine Oberfläche die Fähigkeit aufweist, sich selbst von Schmutz zu reinigen, spricht man auch vom Lotuseffekt. 

Wie funktioniert der Lotuseffekt? 

Beim Lotuseffekt perlt Wasser auf einer Oberfläche ab und nimmt dabei die vorhandenen Schmutzpartikel mit.   

Welche Pflanzen haben den Lotuseffekt? 

Der Lotuseffekt stammt ursprünglich von der Lotusblume, aber auch andere Pflanzen wie z. B. die Kapuzinerkresse, verschiedene Kohlsorten oder das Schilfrohr besitzen die Fähigkeit. 

Welche Blätter haben Lotuseffekt? 

Blätter, die den Lotuseffekt zeigen, besitzen auf ihrer Oberfläche mikroskopisch kleine Noppen, an denen die Wassertropfen abperlen.

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Der Lotuseffekt - Versuche

Blattoberflächen dürfen nicht verschmutzen, damit das Sonnenlicht ungehindert auftreffen kann. Auch  vor der Besiedelung von Mikroorganismen müssen sich die  Blätter wirksam schützen. Daher haben sie im Laufe ihrer langen Entwicklungszeit Schutzmechanismen ausgebildet. Eine davon ist der Selbstreinigungseffekt, auch Lotus-Effekt genannt. Hierbei perlt das Wasser bei einem Regenguss von der Oberfläche ab und nimmt gleichzeitig Schmutzteilchen und Mikroorganismen mit.

Aber welche Blätter besitzen den Selbstreinigungseffekt?

Wie funktioniert die Selbstreinigung?

Welche technischen Lösungen wurden nach dem biologischen Vorbild gebaut?

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• TeachEngineering
• Exploring the Lotus Effect

Hands-on Activity Exploring the Lotus Effect

Grade Level: 12 (10-12)

Time Required: 30 minutes

Expendable Cost/Group: US $2.50

Group Size: 2

Activity Dependency: Superhydrophobicity — The Lotus Effect

Subject Areas: Biology, Chemistry, Life Science, Physical Science, Physics

NGSS Performance Expectations:

Curriculum in this Unit Units serve as guides to a particular content or subject area. Nested under units are lessons (in purple) and hands-on activities (in blue). Note that not all lessons and activities will exist under a unit, and instead may exist as "standalone" curriculum.

• Surface Tension Lab
• Exploring Capillary Action
• Measuring Surface Tension
• Investigating Contact Angle

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Inspired by the lotus leaf, a revolution in self-cleaning surfaces is underway. Many researchers and engineers are developing synthetic superhydrophobic materials and products that mimic the lotus leaf's extremely water-repellent and self-cleaning properties. These materials and textiles would enable skyscraper windows and walls to never need human cleaning, not to mention an unlimited number of other objects: tents and awnings, painted houses, vehicle undercarriages, etc. Already in everyday use is clothing fabric that repels ketchup, mustard, red wine and coffee. Extreme water-shedding materials have the potential for applications in energy and medicine. Some technologists are developing self-deodorizing and disinfectant surfaces for bathrooms and hospitals, as well as similar technologies for keeping surfaces from fogging. Some technologies use the "lotus effect," whereas others employ the opposite property — superhydrophilicity. Future products may combine the two properties or use substances that can be switched back and forth to control the flow of liquids through microfluidic components.

After this activity, students should be able to:

• Describe the behavior of water on superhydrophobic surfaces.
• Define "lotus effect" and describe its water-repellent and self-cleaning properties.
• Explore how damage to Nano-Tex TM cloth affects its "lotus effect" properties.

Educational Standards Each TeachEngineering lesson or activity is correlated to one or more K-12 science, technology, engineering or math (STEM) educational standards. All 100,000+ K-12 STEM standards covered in TeachEngineering are collected, maintained and packaged by the Achievement Standards Network (ASN) , a project of D2L (www.achievementstandards.org). In the ASN, standards are hierarchically structured: first by source; e.g. , by state; within source by type; e.g. , science or mathematics; within type by subtype, then by grade, etc .

Ngss: next generation science standards - science.

International Technology and Engineering Educators Association - Technology

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State Standards

North carolina - science.

Each group needs:

• 2 lotus leaf pieces, or other plant with a superhydrophobic surface (see note below); keep fresh leaves in a sealed plastic bag and refrigerated until ready to use
• 4 pieces of Nano-Tex™ cloth, 1 small (3 x 3 cm) and 3 larger (10 x 10 cm); see note below
• cup of water
• The Lotus Effect Worksheet , one per person

Note about leaves: The leaves of the following plants also demonstrate superhydrophobicity: broccoli, Brussels sprout, cabbage, collard greens, kale, taro (elephant's ear), tulip, turnip greens, and water lily. It is best if leaves are fresh, or have been kept refrigerated since being cut. Alternatively, purchase dried lotus leaves from an Asian grocery, although the dried leaves do not work well for the third section of the lab (Motion and the Lotus Leaf). Keep in mind that the oils from your hands will eventually destroy the effect; wear gloves if you plan to use the same leaf often.

Note about Nano-Tex™ cloth: Purchase garments made of Nano-Tex™ cloth at the stores listed at https://www.nanotex.com/ . We used a $15 Ashworth Nano-Tex shirt purchased from Amazon. Other companies make products that demonstrate similar water- and stain-repellent effects.

(Begin with the associated lesson , and its Introduction/Motivation talk, to set the stage for conducting this activity with students. The lesson provides photos, short videos and background information on superhydrophobic surfaces, including condensation and the Wenzel and Cassie Baxter wetting states, and real-life engineering applications.)

How many of you have ever spilled something on yourself at lunch? If you do that at school, you just have to make do with a stain on your shirt until you get home. (Students probably have a few good stories to share about this.) What if you could make your clothes out of something that could not stain?...So whatever you spilled on yourself would just run right off and leave you clean and dry? Well today we are going to do just that.

Lotus plants (as well as some other plants) have a special surface on their leaves that allows water to flow right off of it without sticking, and take any dirt on the leaf off with it. This is an example of biomimicry — which is when we study a process or object in nature and figure out how to "mimic" its effect or properties with a synthetic product. Right now, scientists and engineers are learning how to copy the superhydrophobicity of lotus leaves and apply it to everything from clothing to outdoor paints.

(At this point, conduct the pre-lab questions activity as described in the Assessment section.)

In this lab, you will observe the superhydrophobicity phenomenon on a natural item and a synthetic material designed to mimic nature.

Before the Activity

• Cut pieces of lotus leaf (or other plant with a superhydrophobic surface). Seal fresh leaves in a plastic bag and refrigerate until ready to use.
• Cut pieces of Nano-Tex™ cloth.
• Gather materials and organize the lab stations.
• Make copies of The Lotus Effect Worksheet .

With the Students

Have students perform this lab at their desks, or group students into pairs to work at lab benches.

To guide students' lab investigations, hand out the worksheets, which include instructions and procedures, a table to record data and observations, and questions to answer as they go.

Place an ice cube in a small dish and lay a piece of a lotus leaf on top of it (see Figure 1). Set aside for Part C. While students are working on Part B, condensation will form on the leaf (see Figure 6).

B. Water and the Lotus Leaf

Have students perform the following experiments on the lotus leaf, recording their observations on the worksheets. Then, do the same using the piece of Nano-Tex™ cloth.

C. Motion and the Lotus Leaf

• Have students retrieve the lotus leaves on ice cubes that were set aside earlier.
• For this part of the experiment to work, at least a few water droplets about 1 mm in diameter must be on the leaf. If not, have students breathe gently on the lotus leaf and ice, as if trying to fog up a window. It may take a few breaths.
• Tilt the leaf to the side slowly. Expect the water droplets to stay in place (see Figure 6).

D. Damage and the Lotus Effect

If you scratch the Nano-Tex™ cloth deep enough to make visible marks, the scratched area is no longer superhydrophobic and water sticks to the fabric at that spot (see Figure 7).

• Have student teams determine ways in which they can damage the larger pieces of cloth safely , and define "slightly," "moderately" and "highly" damaged.
• Have students label the three larger pieces of cloth "slightly," "moderately" and "highly" damaged and proceed to damage them accordingly.
• Have students pipette water onto each cloth and record how the damage affected the superhydrophobic ability of its ability to shed water.

Conclustion

• After the lab is finished, lead a class discussion comparing results and answers.
• Assign students to write answers on separate sheets of paper, to the two concluding questions of on the worksheet.

Pre-Activity Assessment

Pre-Lab Questions: After the introductory talk, but before conducting the lab, have students write on note cards their answers to the following questions.

• How are hydrophobic and hydrophilic different?
• What is the lotus effect?
• How is the lotus flower's importance in Asian religions related to this effect?

Activity Embedded Assessment

Worksheet Observations: Circulate throughout the classroom, checking each student's observations, as recorded on the The Lotus Effect Worksheet table. Ask questions about student answers to gauge their comprehension, and help them gain clearer pictures of the concepts in the lab and their extensions to real-world engineering problems and products (such as self-cleaning, stain-repellent garments).

Post-Activity Assessment

Concluding Questions: Assign students to write answers (on separate sheets of paper), to the concluding questions of the lab.

• The Nano-Tex™ cloth is an example of biomimicry. The self-cleaning properties of the lotus plant were studied and a synthetic version of its surface was developed. When this treatment is added to fabric, the garments repel dirt and stains just like the lotus plant. What other products could benefit from a self-cleaning surface? Include at least three examples and explain how the self-cleaning ability would be especially useful for each application.
• Water droplets formed from dew or other condensation may act differently on supherhydrophobic surfaces than water poured or dropped on these surfaces. Does this limit the applications for self-cleaning surfaces? How could some products be modified to help self-cleaning products work even for water condensation? Write at least one paragraph to answer each question.

Share: Ask students to share what they learned about the lotus effect with their families.

• Direct students to avoid handling the lotus leaf with their hands, as the oil from their skin destroys the superhydrophobic effect. Use lab gloves and/or tweezers.
• If using fresh cuttings, store them in a sealed plastic bag in a refrigerator until ready to use. The superhydrophobic effect lasts about three hours after the leaves are removed from the refrigerator.
• Instead of dirt, consider using pepper or glitter for the self-cleaning demonstration.
• For Part B, dried lotus leaves can be successfully used when students test the superhydrophobic properties of the leaf and Nano-Tex™ cloth. However, dried lotus leaves work poorly for the condensation demonstration in Part C.
• For Part C to work, the water droplets from condensation must be at least 1 mm or larger. If you have time and space, place the leaves on the ice cubes 1-2 hrs before class to give water droplets more time to form. As mentioned elsewhere, the size of the water droplets can also be increased by students breathing on the lotus leaves and ice cubes, as if trying to fog up a window or mirror.

Use plants and fabrics that are not superhydrophobic to show how water behaves differently on them.

Students are introduced to superhydrophobic surfaces and the "lotus effect." Students learn how plants create and use superhydrophobic surfaces in nature and how engineers have created human-made products that mimic the properties of these natural surfaces.

Through hands-on activities, students learn how the combination of adhesive forces and cohesive forces cause capillary motion. They study different effects of capillary motion and use capillary motion to measure surface tension. Students explore the phenomena of wetting and hydrophobic and hydrophil...

Students are presented with the concepts of wetting and contact angle. They are also introduced to the distinction between hydrophobic and hydrophilic surfaces. Students observe how different surfaces are used to maintain visibility under different conditions.

de Gennes, Pierre-Gilles, et al. Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves . New York, NY: Springer, 2004.

Forbes, Peter. "Self-Cleaning Materials: Lotus Leaf-Inspired Nanotechnology." Published July 30, 2008. Scientific American . Accessed July 2010. http://www.scientificamerican.com/article/self-cleaning-materials/

Zenner, Greta M., et al. "Lotus Leaf Effect." University of Wisconsin-Madison Materials Research, Science and Engineering Center (MRSEC) Interdisciplinary Education Group, Nanoscale Informal Science Education Network. Accessed July 2010. http://mrsec.wisc.edu/Edetc/EExpo/surfaces/NanoSurfaces_ProgramGuide.pdf

Contributors

Supporting program, acknowledgements.

This digital library content was developed under an NSF CAREER Award (CBET- 08-46705) and an RET supplement (CBET-10-09869). However, these contents do not necessarily represent the policies of the National Science Foundation, and you should not assume endorsement by the federal government.

Last modified: March 14, 2021

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Saubere Sache, der Lotuseffekt

Alles, was Sie für dieses Experiment brauchen:

• 1 – 2 Kohlrabiblätter
• Pipette oder Strohhalm
• Spülmittel

Und so geht’s:

1. Geben Sie etwas Spülmittel auf eine Hälfte des Kohlrabiblattes...

2. ... und verreiben es auf der Blatthälfte.

3. Tropfen Sie mit der Pipette etwas Wasser auf die andere, unbehandelte Hälfte des Blattes.

4. Geben Sie dann auch einige Tropfen Wasser auf die mit Spülmittel eingeriebene Blatthälfte.

Nie mehr putzen!

Kohlrabiblätter sind mit einer dünnen Wachsschicht überzogen. Das Wasser perlt daran ab und nimmt auch Staub und Schmutz mit. So bleiben die Blätter ganz von selbst sauber und trocken. Praktisch, nicht wahr?

Diesen Effekt haben Biologen zuerst an Lotuspflanzen entdeckt und erforscht – mit dem Ziel, den Lotuseffekt im Alltag zu nutzen .

Unter dem Elektronenmikroskop sieht man, dass die Wachskristalle wie winzige Noppen auf dem Blatt sitzen. Diese Noppen bewirken, dass die Wassertropfen nicht am Blatt haften bleiben.Tatsächlich ist es Forschern gelungen, die raue Oberflächenstruktur nachzubauen. Es gibt mittlerweile Fassadenfarbe und Dachziegel mit Lotuseffekt, an denen Wasser und Schmutz einfach abperlen.

Was passiert?

Auf dem unbehandelten Teil des Blattes, bildet das Wasser runde Tropfen . Wenn Sie das Blatt etwas anheben, kullern sie über die Oberfläche. Auf der mit Spülmittel eingeriebenen Blatthälfte verläuft das Wasser, ohne Tropfen zu bilden. 

Der Spüli-Effekt: Das Spülmittel hat die wasserabweisende Wirkung der Wachsschicht zerstört . Gleichzeitig verringert es die natürliche Oberflächenspannung des Wassers und bewirkt damit, dass die Tropfen zerfließen.

Mehr Infos unter: Klaus Gruber | dolphin photography

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Experiment für kinder, so können kinder ganz leicht schleim selbst herstellen.

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Lotus Effect

• Reference work entry
• First Online: 01 January 2016
• pp 1108–1109
• Cite this reference work entry

• Wolfgang M. Sigmund 3 &
• Shu-Hau Hsu 4  

53 Accesses

Lotus leaf ( Nelumbo nucifera ) has become the epitome of natural superhydrophobic surfaces and has long been considered as a sacred symbol of purity for thousand years in oriental culture due to its impressive self-cleaning feature, where leaves remain unsmudged even being immersed into muddy water. Water contact angle on lotus leaf is reported above 160° with few degrees of roll-off angle. Therefore, lotus effect is sometimes a synonym for superhydrophobicity or self-cleaning nowadays. Although the effect has long been noticed for several generations, a systematically detailed investigation was not carried out until 1997 where more than 200 water-repellent plants were studied via scanning electron microscopy (Neinhuis and Barthlott 1997 ). The study reveals the secret of lotus leaf, which, not surprisingly, attributes to its combination of surface roughness and chemical substances. Hydrophobicity and self-cleaning of lotus leaf are believed as a mechanism to resist harmful...

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Hsu SH (2010) Biologically inspired hairy surfaces for liquid repellency. Doctoral dissertation, University of Florida

Google Scholar  

Liu Y, Chen X, Xin JH (2009) Can superhydrophobic surfaces repel hot water? J Mater Chem 19:5602–5611

Article   CAS   Google Scholar  

Neinhuis C, Barthlott W (1997) Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces. Ann Bot 79:667–677

Article   Google Scholar  

Nosonovsky M, Bhushan B (2007) Multiscale friction mechanisms and hierarchical surfaces in nano- and bio-tribology. Mater Sci Eng R 58:162–193

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Author information

Authors and affiliations.

Department of Materials Science and Engineering, University of Florida, 225 Rhines Hall, 116400, 32611-6400, Gainesville, FL, USA

Wolfgang M. Sigmund

Department of Energy Engineering, Hanyang University, 133-791, Seoul, Republic of Korea

Shu-Hau Hsu

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Corresponding author

Correspondence to Wolfgang M. Sigmund .

Editor information

Editors and affiliations.

University of Calabria, Rende, Italy

Enrico Drioli

Institute on Membrane Technology National Research Council of Italy ITM-CNR, Rende, Italy

Lidietta Giorno

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Reprints and permissions

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© 2016 Springer-Verlag Berlin Heidelberg

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Cite this entry.

Sigmund, W.M., Hsu, SH. (2016). Lotus Effect. In: Drioli, E., Giorno, L. (eds) Encyclopedia of Membranes. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-44324-8_1384

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DOI : https://doi.org/10.1007/978-3-662-44324-8_1384

Published : 31 August 2016

Publisher Name : Springer, Berlin, Heidelberg

Print ISBN : 978-3-662-44323-1

Online ISBN : 978-3-662-44324-8

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Der lotuseffekt bionik - der natur abgeschaut.

Kennt ihr den Lotuseffekt? Er ist ein Klassiker der Bionik: Wasser und Schmutzpartikel perlen von der Lotusblume einfach ab. Das können wir Menschen nicht nur bewundern, sondern auch nutzen und davon lernen.

Stand: 19.12.2022

Der Bonner Botaniker und Bioniker Wilhelm Barthlott machte in den 1970er-Jahren eine wichtige Entdeckung: Die Blätter der im fernen Osten beheimateten Lotusblume sind immer sauber. Sie haben die Eigenschaft, sich selbst zu reinigen. In jahrzehntelanger Arbeit wurde dieser sogenannte Lotuseffekt genauestens untersucht. Mittlerweile ist er patentiert und im praktischen Einsatz.

Bionik: Sauber dank selbstreinigender Oberfläche

Das Lotusblatt enthüllt erst unter dem Elektronenmikroskop sein Geheimnis: Auf der Blattoberfläche sitzen winzige Wachskristalle, die dem Blatt eine raue, genoppte Struktur verleihen. Die unzähligen mikroskopisch kleinen Noppen bewirken, dass Schmutzpartikel und Wassertropfen nur wenige Kontaktstellen mit dem Blatt haben und daher nicht anhaften können. Wassertropfen perlen kugelförmig ab und nehmen dabei Schmutz- und Staubpartikel mit.

Der Lotuseffekt im Alltag

Dank Lotuseffekt: Ein Honiglöffel, an dem kein Honig kleben bleibt.

Forschern ist es gelungen, diese raue Mikrostruktur auf künstlichen Oberflächen nachzubilden. Der Lotuseffekt hat heutzutage viele Einsatzbereiche: Es gibt Fassadenfarbe, die Wasser und Schmutz von Hauswänden einfach abperlen lässt und Silikonwachs, das auf verschiedene Materialien aufgesprüht werden kann, zum Beispiel auf Markisen, Dachziegel oder Sensoren für Mautsysteme. Der Lotuseffekt ist vor allem geeignet für Oberflächen, die ständig Wind und Wetter ausgesetzt sind.

Der Lotuseffekt in der Zukunft

Wissenschaftler sind dabei, weitere Anwendungsgebiete für den Lotuseffekt zu erschließen. Denkbar sind beispielsweise selbstreinigende Autolacke und Fensterscheiben. Damit würde ihr Säubern entfallen. Doch diese visionäre Idee ist noch nicht Wirklichkeit geworden, was auch daran liegt, dass Lotuseffekt-Oberflächen automatisch matt werden. Kein gutes Argument in der Autobranche.

Selbstreinigende Oberfläche dank Lotuseffekt: für Fenster, Fassaden oder Autos.

Es wird auch daran geforscht, Flugzeuge mit einer Lotuseffekt-Oberfläche zu versiegeln. Dann könnten sich Wassertropfen und Eiskristalle nicht mehr auf Tragflächen und Flugzeugrumpf halten. Das lästige Enteisen im Winter würde wegfallen. Doch die beschichtete Oberfläche ist für hohe Geschwindigkeiten noch nicht stabil genug. Die Oberflächenstruktur würde sofort zerstört werden.

Die Natur als Lehrmeister

Entspiegelter schmetterlingsflügel.

Bionik - aus Natur wird Technik: Schmetterlingsflügel dienen als Vorbild für die Handy-Entwicklung.

Schmetterlingsflügel liefern Ideen zum Entspiegeln von Handydisplays, Laptopbildschirmen und Brillengläsern: Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie haben entdeckt, dass die Flügel des Glasflügel-Schmetterlings (auch: "Waldgeist", lat. Greta oto) kaum Licht reflektieren und dadurch größtenteils durchsichtig sind. Verantwortlich dafür sind unregelmäßige Nanostrukturen auf den Flügeln. Je nach Blickwinkel werden vom Schmetterlingsflügel zwei bis fünf Prozent des Lichts reflektiert. Bei einer Glasscheibe sind es acht bis hundert Prozent. Das Institut will erste Anwendungen nach dem tierischen Vorbild entwickeln.

Fliegende Qualle

Bionik - der Natur abgeschaut: Die Schwimmbewegungen einer Qualle sind für Wissenschaftler Vorbild für ein Fluggerät.

Ein Fluggerät, das die Schwimmbewegungen einer Qualle nachahmt, haben Wissenschaftler der Universität New York entwickelt. Es hat vier kreisförmig angeordnete Schwingen, die sich öffnen und schließen. Dadurch steigt die nur 2,1 Gramm leichte Konstruktion auf und schwebt durch die Luft. Der Ornithopter - ein Fluggerät, das durch Bewegung der Tragflächen Vortrieb erzeugt - kommt ohne Regelungstechnik und Stabilisierung durch Segelflächen aus. Das neue Gerät besteht aus drei Ringen aus Carbonfasern, einem kleinen Motor und acht Zentimeter langen Flügeln, die mit einer transparenten Polyesterfolie bespannt sind.

Inspiriert vom Bussard

Vorbild für Flugzeuge und so Teil der Bionik: die Flugbewegungen von Greifvögeln, wie hier des Bussards.

Bioniker fanden durch Beobachtung von Greifvögeln eine Energiesparmethode für Flugzeuge. Bussard und Geier spreizen im Flug an ihren Flügelenden einige Federn ab. Dies verhindert, dass bremsende Luftwirbel entstehen, und hilft dabei, dass die Vögel ohne großen Energieaufwand durch die Luft gleiten. Mit nach oben gebogenen Tragflächenenden, sogenannten Winglets, lässt sich dieses Prinzip auf Flugzeuge übertragen und hilft Treibstoff einzusparen.

Selbstheilung bei Lianen

Lianen: Ihren Mechanismus der Selbstheilung wollen Bionik-Wissenschaftler für Baumaterialien nutzen.

Mit Schaumstoff bauen hat einen Vorteil: Die Konstruktionen sind extrem leicht. Allerdings auch extrem verletzlich. Darum suchen Wissenschaftler in der Natur nach selbst heilenden Werkstoffen - und sind in der Pflanzenwelt fündig geworden. Lianen wachsen sehr schnell. Entstehen Risse in den Stängeln, verheilen diese innerhalb weniger Tage. Zellen aus dem Grundgewebe quellen in den Riss und verschließen die Wunde. Bald sollen sich Werkstoffe wie mit Schaumstoff beschichtete Membranen auch so reparieren können und dann als Baumaterial eingesetzt werden.

Perfektion unter Wasser

Vorbild für Bioniker: der stromlinienförmige Esels-Pinguin.

Forscher versuchen die perfekte Stromlinienform zu konstruieren. Ergebnis: Der Prototyp eines futuristischen U-Bootes, das zu Forschungszwecken in großen Tiefen eingesetzt werden soll. Dafür stand der Pinguin Pate. Er bewegt sich schnell und elegant durchs Wasser - ein wahrer Meisterschwimmer mit perfekter Stromlinienform. Von einem so geringen Strömungswiderstand können Fahrzeugbauer über und unter Wasser nur träumen.

Die Spinne macht's vor

Inspiriert Bioniker zu immer neuen Forschungen: Netz einer Wespenspinne.

Das Zeltdach des Olympiastadions in München: ein architektonisches Glanzstück und eine technische Meisterleistung. Das 74.800 qm große Dach wird von in sich vernetzten Stahlseilen gebildet. Ein Vergleich mit einem ganz ähnlichen Konstrukt in der Natur liegt nahe: dem Spinnennetz. Hauchdünne Quer- und Längsfäden spannen ein Netz auf, das enorme Druck- und Zugkräfte aushält. Die Spinnenseide ist sehr leicht und dabei gleichzeitig extrem stabil und dehnbar. Eigenschaften, die Bioniker zu immer neuen Forschungen inspirieren.

Die Kunst der Tarnung

Für Bioniker nachahmenswert: die Tarnung eines Leoparden, hier gut versteckt in einem Baum.

Ein probates Mittel zur Tarnung, das überall auf der Welt beim Militär eingesetzt wird: Kleinteilige Farbflecke bewirken, dass die Körperkonturen aufgelöst werden. So ist man schwer vor ähnlichfarbigem Hintergrund zu erkennen. Die Natur macht den Trick vor. Im Tierreich weit verbreitet ist die Kunst, sich unsichtbar zu machen. Der Trick dabei: Kleinflächige Musterung löst die Körperumrisse optisch auf. Beispielsweise tarnt sich der Leopard mit einem gefleckten Fell, das ihn mit dem Hintergrund verschmelzen lässt.

Chamäleon als Vorbild für Roboter

Kleinstes Chamäleon der Welt aus Madagaskar: Bioniker kopieren seine Kletterkunst für Tunnel-Roboter.

Wissenschaftler der Universität Jena entwickeln einen künstlichen Kletterer, einen Roboter für Tunnel, Schächte und Röhren, der nach den Prinzipien seiner tierischen Vorbilder Chamäleon und Ratte funktioniert. Darum analysierten und filmten sie die Bewegungen der beiden Tiere mit einer weltweit einzigartigen Röntgenvideoanlage, deren Kameras bis zu 1.000 Bilder pro Sekunde liefern. Wobei das Reptil einem anderen Kletterprinzip folgt als die Ratten, die mit Krallen klettern. Der Roboter soll die unterschiedliche Biologie des Kletterns kopieren, um in Zukunft sicher wie ein Chamäleon und schnell wie eine Ratte in engen Versorgungstunneln oder Kabelschächten voranzukommen.

Eingebaute Stoßdämpfer

Auch Teil der Bionik und Vorbild für moderne Zahntechnik: Perlmutt aus Muscheln und Schnecken.

Muscheln schützen sich mit einer Perlmuttschale, die so stabil ist, dass Bioniker alles daran setzen, sie nachzubauen. Das Geheimnis liegt in der Mikrostruktur des Perlmutts: Kalkstrukturen sorgen dafür, dass die Schale nicht nachgibt. Dazwischen gelagert ist ein System von "Stoßdämpfern" aus Chitin und Eiweiß, das dafür sorgt, dass die Schale nicht bricht. Das Rasterkraftmikroskop enthüllt, dass Perlmutt in sehr geordneten Schichten aufgebaut ist, die für zusätzliche Stabilität sorgen. Möglicherweise revolutioniert perlmuttähnliches Material in bruchfesten Implantaten in einigen Jahren die Zahntechnik.

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Nachgebaut – Der Lotuseffekt

Experiment des Monats Dezember/ Januar 2014

Halte einen Objektträger aus Glas über eine Kerzenflamme. Warte bis der Objektträger mit Ruß beschichtet ist (schwarzes Material). Lasse einen Wassertropfen über die frische Oberfläche laufen.

Beobachtungen

Der Tropfen rollt über die schwarze Oberfläche ohne sich auszubreiten. Bei Kontakt zum klaren Glas breitet sich der Tropfen aus.

Die unverbrannten Wachsteilchen im Ruß bilden eine Oberfläche, die mit der des Lotusblattes vergleichbar ist. Der Wassertropfen, der über die Oberfläche rollt entfernt zugleich Schmutz von der beschichteten Oberfläche.

Der Lotuseffekt Das Original: Die Lotuspflanze

Der Lotus ist eine Pflanze aus Asien, die dort fast heilig ist. Sie ist der Inbegriff von Reinheit, weil sie aus dem dicksten Morast unbefleckt hervorsprießt. Erst seit einigen Jahren ist klar, weshalb. Auf der Blattoberfläche befinden sich winzigste Erhebungen aus Wachs. Darauf kann kein Schmutz haften, Wasser oder Dreck perlt einfach ab. Auch Insekten wie Libellen und Schmetterlinge machen sich den Effekt zu Nutze um Körperstellen zu schützen, die sie nicht selbst reinigen können.

Mittlerweile hat man verschiedene Produkte mit solch einer selbstreinigenden Oberfläche hergestellt, unter anderem Dachziegel und Geschirr. Der Lotus-Effekt kommt auch bei anderen Pflanzen vor, etwa bei Kapuziner­kresse und Kohlrabi. Kohlrabi-Effekt klingt aber nicht so exotisch und geheimnisvoll.

www.iap.fraunhofer.de

proWissen e.V. und PotsKids stellen hier zusammen mit Potsdamer Wissenschaftlern verschiedene Experimente vor.

Lotuseffekt (Video)

Schau dir unser Video zum Thema "Lotuseffekt" an! Erfahre, wie die Oberfläche von Lotusblättern Wasser abweist und wie das Prinzip in der Technologie genutzt wird. Wir erklären anschaulich, wie der Lotuseffekt funktioniert und welche Vorteile er bringt. Jetzt ansehen und mehr erfahren!

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• Katabolismus Dauer: 04:38
• Assimilation und Dissimilation Dauer: 05:22

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Wie funktioniert der Lotuseffekt?

Die Maus . 07.03.2021 . 04:45 Min. . UT . DGS . Verfügbar bis 30.12.2099 . WDR .

Was ist der Lotuseffekt? – Christoph will eine Wand neu streichen, am liebsten mit Farbe, die niemals schmutzig wird. Erfunden wurde sie schon: Wie bei Pflanzen das Wasser, perlt Schmutz an ihr einfach ab. Selbst nach einem Schlammbad bleibt die Oberfläche leuchtend weiß …

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UNIVERSITÄT ZU KÖLN

Ideen zur Anwendung des Lotuseffekts

Die SuS entwickeln eigene Ideen zur technischen Anwendung des Lotuseffektes im Alltag.

Mögliche Vorgehensweisen

Kurzer Filmbeitrag (z.B. Was ist was 'Erfindungen und Bionik')

Die Noppenstruktur der Blattoberflächen bei Pflanzen mit Lotuseffekt wird angesprochen (Bezug/ Reflexion der Filmsequenz)

Wiederholung: Wilhelm Barthlotts Patent für eine 'Schmutz abweisende Farbe'

Erarbeitung

Einzel-/ Partnerarbeit: Die Kinder entwickeln z.T. mit Hilfe von Impulsen (Originalgegenstände, wie Gummistiefel, Löffel, Teller, Jacke, Trockentuch, Auto, Fensterscheibe, Dachpfannen, ...) mögliche neue technische Anwendungen des Lotuseffektes, zeichnen diese auf und schreiben eine kurze Erklärung dazu.

Präsentation der Ideen im Sitzkreis, Nachfragen und Diskussion zu den entwickelten Ideen.

Angestrebtes Unterrichtsergebnis

Die SuS können den Lotuseffekt auf eigene technische Problemlösungen mit unterschiedlichen Materialien anwenden.