Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und...
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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
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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
?
?
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Der Lotus-Effekt
In Asien gilt die Lotus-Pflanze alsreligiöses Symbol
der Reinheit.
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Lotus-Effekt
an einem Kohlblatt
Foto
: A. R
egab
i El K
hyar
i
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Entwicklung der Lotus-Farbe
Bionik-Produkt
REM
Selbstreinigung
30 μm
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Testflächen an meiner Hauswand nach 3 ½ Jahren
Lotusan Fassadenfarbe normale Fassadenfarbe
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Oberfläche einer Sumpfpflanze
(Botanischer Garten Shanghai)
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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
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Der Lotus-Effekt in Aktion
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Wasser
Luft
Festkörper
W/L
F/LW/F
Young-Formel:
L/FL/WW/F cos
Oberflächenspannung und Benetzungswinkel
Adhäsion > Kohäsion Adhäsion < Kohäsion Adhäsion << Kohäsion
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Der erweiterte Lotuseffekt
Lotusblatt
1 × 1 cm
Technische Nachbildung
Sekundäre Struktur
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Der erweiterte Lotuseffekt
Wassertropfen
Wassertropfen
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Prof. Wilhelm Barthlott
Lotuseffekt-Dachziegel mit Photokatalyse-Effekt
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Der Mottenaugen-Effekt
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130
fach
420
fach
1650 fach
4120 fachMikro-Noppen
Mikro-Optik des Mottenauges
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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
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Hummelschwärmer
Der Hummelschwärmer imitiert mit seinen optisch verkleinerten Flügeln eine Hummel (Mimikry)
(Hemaris fuciformis)
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Unsichtbare Qualle
?
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Geprägte Nanostruktur mit 200 nm Noppenabstand
Eine Mottenaugen-Glasscheibe
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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
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Wunder Gecko-Fuß
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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
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Eine Gecko-Zehe besitzt 500 000 Borstenhaare
Ein Borstenhaar besitzt 1 000 Nanohaare
Nanostruktur des Gecko-Fußes
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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
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Synthetische Geckohaare für Spiderman
(New Scientist 15. 05. 2003)
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Gecko-Tape
Technik Biologie
Vorteil:
Temporäre Haftung ohne Klebereste
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Nebelfänger in der Wüste
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Nebel-Ernten in der Namib-Wüste
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Dunkelkäfer der Namibwüste
(Stenocara sp.)
Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence
10 mHydrophobe Basisoberfläche
Hydrophile Kuppen
Ähnlich dem Lotus-Effekt ®
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Nebeltröpfchen
Hydrophile Kuppen
Hydrophobe Noppen
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Nebeltröpfchen
Hydrophile Kuppen
Hydrophobe Noppen
Kondensation
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Nebeltröpfchen
Hydrophile Kuppen
Hydrophobe Noppen
Gesammelter Tau
Zum Käfermund
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Lufts
trom
Experiment von Parker und Lawrence
Sprühflasche
Ventilator
Wächserne Oberfläche
Glaskügelchen
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Der Sandfisch-Effekt
Foto
: A. R
egab
i El K
hyar
i
![Page 35: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/35.jpg)
Sandfisch ?
![Page 36: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/36.jpg)
Der Sandfisch der Sahara
![Page 37: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/37.jpg)
Reibung
Abrieb
Ladungsemission
Eigenschaften der Sandfischschuppe
M. Zwanzig, IZM
8µm
Sandströmung
Schuppe
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Feld-arbeitin derSahara
Erg Chebbi
Mein Sahara Labor
GPS:
N 31° - 15‘ – 02“
W 03° - 59‘ – 13“
![Page 39: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/39.jpg)
Einfaches Granulat-Reibmessgerät für Feldversuche
Handstellhebel
ObjektplattformReibwinkelskala
Granulatkanüle
![Page 40: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/40.jpg)
Zur Messung des dynamischen Reibungskoeffizienten
![Page 41: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/41.jpg)
Sandskink
Messung des Sand-Gleitwinkels
Sand fließt
Sand stoppt
20°
18°
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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
![Page 43: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/43.jpg)
Reibungsmessung mit einem sandgefüllten Zylinder
![Page 44: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/44.jpg)
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
![Page 45: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/45.jpg)
Sandfischschuppe unter dem Rasterelektronenmikroskop
8µm
Sand Strömung
Rücken Bauch
50 nm Ø
Schuppe
![Page 46: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/46.jpg)
Schwellenstruktur in Schrägansicht
6 µm
Sandströmung
![Page 47: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/47.jpg)
Größenrelation
Sandkorn auf Mikroschwellen
Gle
itri
ch
tun
g
![Page 48: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/48.jpg)
Abrieb der Sandfischschuppen
![Page 49: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/49.jpg)
technische Oberflächen im Sandwind schnell matt werden !
Die Sandfischhaut glänzt immer
während
Zur Abrasionsfestigkeit
![Page 50: Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung Bionik I Nanobionik: Vorbild Natur im Mikro- und Nanobereich Lotus-, Sandfisch- und Mottenaugen-Effekt.](https://reader035.fdokument.com/reader035/viewer/2022081800/55204d6749795902118bd799/html5/thumbnails/50.jpg)
Einfache Vorrichtung für die Abriebversuche
30 cm
Sandtrichter
Sandstrahl
Objektplattform
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Auftreffpunkt des Sandstrahls
Sandstrahlzeit: 10 Stunden !
Abriebfleck:Stahl
Glas
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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
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Sandfisch
Parallelevolution
Sandboa
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Sandskink
Parallelevolution
Sandfisch Sandboa
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Keilschleiche Sphenops sepsoides
Parallelevolution
Querschwellen
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Statische Elektrizität im Sandsturm
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Elektrische Entladung an einem Sandfischrücken
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Triboelektrische Aufladung eines Glasstabs
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Triboelektrische Aufladung eines Plastikstabs
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Gerichtete Triboelektrizität an der Sandfischschuppe
Electronen-DonatorElectronen-Akzeptor
Sandfischschuppe
Kopf Schwanz
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Elektrisch neutrale Sandkörner mit gegensätzlich geladenen Spots
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Sandkorn
Elektrostatische Schwebe-Hypothese
Sandfisch
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Modernes Sand-Boarding
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* Eine Fußnote
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Auf der Suche nach neuen Bionik-Projekten
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Thema: Abriebfestigkeit der Wüstenflora
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Tamariske
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Ende
www.bionik.tu-berlin.de