B1Fol9 - Bionik TU
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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) Painted Lady (Vanessa kershawi) Sandskink der Sahara (Scincus scincus) Wasserbrotwurzel (Colocasia esculenta) Weißhai (Carcharhinus) ? Dunkelkäfer der Namib (Stenocara sp.) Gletscherfloh (Isotoma saltans) Biologische Mikro- & NanoStrukturen In Asien gilt die Lotus-Pflanze als religiöses Symbol der Reinheit. Der Lotus-Effekt Foto: A. Regabi El Khyari Lotus-Effekt an einem Kohlblatt REM Bionik-Produkt Selbstreinigung Entwicklung der Lotus-Farbe Lotusan Fassadenfarbe normale Fassadenfarbe Testflächen an meiner Hauswand nach 3 ½ Jahren Glatte wasseranziehende Oberfläche: Rauhe wasserabstoßende Oberfläche: Der Wassertropfen fließt über die anhaftenden Schmutzpartikel hinweg Der Wassertropfen wäscht rollend die wenig haftenden Schmutzpartikel weg Mechanismus des Lotus-Effekts Der Lotus-Effekt in Aktion W/L Luft Young-Formel: F/ W W/ L cos F/L Wasser F/ W Adhäsion > Kohäsion Festkörper Adhäsion < Kohäsion F/L Adhäsion << Kohäsion Oberflächenspannung und Benetzungswinkel Lotuseffekt-Dachziegel mit Photokatalyse-Effekt Prof. Wilhelm Barthlott Der Mottenaugen-Effekt 130fach 420fach Mikro-Optik des Mottenauges 1650fach Mikro-Noppen 4120fach Reflexion von Licht wird durch eine allmähliche Zunahme der optischen Dichte des Glases vermieden. < l Licht Mikro-Noppen auf der Glasoberfläche lassen scheinbar die optische Dichte des Glases langsam anwachsen. Hummelschwärmer (Hemaris fuciformis) Der Hummelschwärmer imitiert mit seinen optisch verkleinerten Flügeln eine Hummel (Mimikry) Unsichtbare Qualle Geprägte Nanostruktur mit 200 nm Noppenabstand Eine MottenaugenGlasscheibe 6 Reflexion % 5 Ohne Nanostruktur 4 3 2 Mit Nanostruktur 1 0 400 500 600 700 Wellenlänge nm 800 Der Mottenaugeneffekt Wunder Gecko-Fuß Photo: M. Moffet 500 Mikrohaare 2 kg000 (theoretisch) Geckos haften über atomare Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte) an der Wand Der Gecko an der Wand Ein Borstenhaar besitzt 1000 Nanohaare Eine Gecko-Zehe besitzt 500000 Borstenhaare Nanostruktur des Gecko-Fußes Adhäsion durch Der Gecko-Effect Van-der-Waals-Kräfte Oberfläche 1 Kontaktstellen Technische Oberfläche Oberfläche 2 Nanohaare ! Große Kontaktfläche Kleine Große Adhäsionskraft Anhäsionskraft Kleine Mikrohaar Synthetische Geckohaare für Spiderman (New Scientist 15. 05. 2003) Nebelfänger in der Wüste Nebel-Ernten in der Namib-Wüste Dunkelkäfer der Namib-Wüste (Onymacris unguicularis) Hydrophile Kuppen Hydrophobe Täler 10 mm Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence Der Sandfisch-Effekt Foto: A. Regabi El Khyari Der Sandfisch der Sahara Mein Sahara Labor GPS: Feldarbeit in der Sahara N 31° - 15‘ – 02“ Chebbi N 03° - 59‘ –Erg 13“ Einfaches GranulatReibmessgerät für Feldversuche Granulatkanüle Reibwinkelskala Objektplattform Handstellhebel Zur Messung des dynamischen Reibungskoeffizienten 20° Sand fließt 18° Sand stoppt Sandskink Messung des Sand-Gleitwinkels Teflon Nylon Glas Stahl Skink 2002 Gleitreibung: Sandfisch versus technische Materialien Reibungsmessung mit einem sandgefüllten Zylinder Sandgleitwinkel 25 0 20 0 15 0 10 0 5 0 0 0 Stahl Skink Sand-ZylinderMessungen 15 16 18 20 20 21 21 21 21 24 24 25 25 26 26 27 30 30 ste August Stahl = 19° Reibungsgleitwinkel: Sandskink = 12° Caudal Sandskink = 18° Cranial Die Sandfischhaut glänzt immer während technische Oberflächen im Sandwind schnell matt werden ! Zur Abrasionsfestigkeit Einfache Vorrichtung für die Abriebversuche Sandtrichter Sandstrahl 30 cm Objektplattform Auftreffpunkt des Sandstrahls Sandstrahlzeit: 10 Stunden ! Stahl Abriebfleck: Glas Sandfisch Schuppen Rasterelektronenmikroskop – Vergrößerung: 50 Sandströmung Rasterelektronenmikroskop – Vergrößerung: 500 Rasterelektronenmikrokop – Vergrößerung: 5 000 Rasterelektronenmikroskop – Vergrößerung: 25 000 100 nm Rasterelektronenmikroskop – Vergrößerung: 50 000 Gratstrukturen in Schrägansicht Rücken Bauch Größenrelation Sandkorn auf Rippelhaut Abrieb unter dem Mikroskop Sandtrichter Sandstrahl 25 cm Test Oberfläche Mit Tesafilm abgedeckt 3 h im Sandstrahl Abriebversuch Glas Abriebfleck auf dem Glas 2 Stunden Sandstrahl Nano-Mineralstifte Proteinmatrix Optimale Struktur eines zugbelasteten Nano-Komposits Nano-Pfähle Struktur eines Nano-Komposits maximaler Oberflächenhärte Nano-Komposite Polymer ? Gleiten auf eingebetteten Kugeln Theorie auf Grundlage der HERTZschen Pressungsformeln Gleiten auf eingebetteten Zylindern Modellvorstellung zum Sandfischeffekt Das Problem der Ladungs-Fortleitung Spitzen ? Elektrische Entladung an einem Sandfischrücken Amurnatter (Elaphe schrencki schrencki) Schlangenrücken Schlangenbauch Ende
