Ingo Rechenberg

PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung „Bionik I“

Nanobionik: Vorbild Natur im 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

Testflächen an meiner Hauswand nach 3 ½ Jahren

Lotusan Fassadenfarbe normale Fassadenfarbe

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

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

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)

Nebelfänger in der Wüste

Nebel-Ernten in der Namib-Wüste

Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence

Dunkelkäfer der Namib-Wüste(Onymacris unguicularis)

10 mHydrophobe Täler

Hydrophile Kuppen

Der Sandfisch-Effekt

Foto

: A. R

egab

i El K

hyar

i

Der Sandfisch der Sahara

Feld-arbeitin derSahara

Erg Chebbi

Mein Sahara Labor

GPS:

N 31° - 15‘ – 02“

N 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°

Skink

Stahl

NylonGlas

Teflon

Gleitreibung: Sandfisch versus technische Materialien

2002

Reibungsmessung mit einem sandgefüllten Zylinder

Reibungs-gleitwinkel:

Stahl = 19°

Sandskink = 12° Caudal

Sandskink = 18° Cranial

Sand-Zylinder- Messungen

Sk ink

S tahl

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

twin

kel

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

Rasterelektronenmikroskop – Vergrößerung: 50

SandfischSchuppen

Rasterelektronenmikroskop – Vergrößerung: 500

Sandströmung

Rasterelektronenmikrokop – Vergrößerung: 5 000

Rasterelektronenmikroskop – Vergrößerung: 25 000

Rasterelektronenmikroskop – Vergrößerung: 50 000

100 nm

Gratstrukturen in Schrägansicht

Rücken

Bauch

Größenrelation

Sandkorn auf Rippelhaut

25 cm

Abrieb unter dem Mikroskop

Sandtrichter

Sandstrahl

Test Oberfläche

Abriebversuch Glas

Mit Tesafilm abgedeckt 3 h im Sandstrahl

2 Stunden Sandstrahl

Abriebfleck auf dem Glas

ProteinmatrixNano-Mineralstifte

Nano-Pfähle Polymer

Optimale Struktur eines zugbelasteten Nano-Komposits

Struktur eines Nano-Komposits maximaler Oberflächenhärte

Nano-Komposite

?

Gleiten auf eingebetteten Kugeln

Gleiten auf eingebetteten Zylindern

Modellvorstellung zum Sandfischeffekt

Theorie auf Grundlage der HERTZschen Pressungsformeln

Das Problem der

Ladungs-Fortleitung

Spitzen ?

Elektrische Entladung an einem Sandfischrücken

Amurnatter(Elaphe schrencki schrencki)

SchlangenrückenSchlangenbauch

Ende