0 - Bionik TU
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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 ? 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 30 μm Bionik-Produkt Selbstreinigung Entwicklung der Lotus-Farbe Lotusan Fassadenfarbe normale Fassadenfarbe Testflächen an meiner Hauswand nach 3 ½ Jahren Oberfläche einer Sumpfpflanze (Botanischer Garten Shanghai) 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 Sekundäre Struktur 1 × 1 cm Lotusblatt Technische Nachbildung Der erweiterte Lotuseffekt Wassertropfen Wassertropfen Der erweiterte Lotuseffekt 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 Beispiel Zwischenmaß 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) Gecko-Tape Vorteil: Temporäre Haftung ohne Klebereste Technik Biologie Nebelfänger in der Wüste Nebel-Ernten in der Namib-Wüste Dunkelkäfer der Namibwüste (Stenocara sp.) Hydrophile Kuppen Hydrophobe Basisoberfläche 10 mm Ähnlich dem Lotus-Effekt ® Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence Hydrophobe Noppen Nebeltröpfchen Hydrophile Kuppen Hydrophobe Noppen Nebeltröpfchen Hydrophile Kuppen Kondensation Hydrophobe Noppen Nebeltröpfchen Hydrophile Kuppen Zum Käfermund Gesammelter Tau Wächserne Oberfläche Sprühflasche Glaskügelchen Ventilator Experiment von Parker und Lawrence Der Sandfisch-Effekt Foto: A. Regabi El Khyari Sandfisch ? Der Sandfisch der Sahara Eigenschaften der Sandfischschuppe Schuppe M. Zwanzig, IZM Reibung Abrieb Ladungsemission Mein Sahara Labor GPS: Feldarbeit in der Sahara N 31° - 15‘ – 02“ Chebbi W 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 25 0 20 0 15 0 10 0 5 0 0 0 Teflon 0 Nylon 30 Glas 0 Stahl 35 Skink Sand Gleitwinkel 40 0 Sahara-Messung 2002 Gleitreibung: Sandfisch im Vergleich zu technischen Materialien Reibungsmessung mit einem sandgefüllten Zylinder Sandgleitwinkel 25 0 20 0 15 0 10 0 5 0 0 0 Stahl 58 % 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 Sandfischschuppe unter dem Rasterelektronenmikroskop 50 nm Ø Schuppe Rücken Bauch Sandströmung 6 µm Schwellenstruktur in Schrägansicht Gleitrichtung Größenrelation Sandkorn auf Mikroschwellen Abrieb der Sandfischschuppen 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 Sandabrieb unter dem Microskop Glas Vergrößerung ≈ 200 2 Stunden Strahlzeit 20 cm Strahlhöhe Sandfisch Vorher Mit Tesafilm abgedeckt Sandfisch Vergrößerung ≈ 1000 Nachher Sandstrahlerosion Vergrößerung ≈ 1000 Sandboa Sandfisch Parallelevolution Sandboa Sandskink Sandfisch Parallelevolution Keilschleiche Sphenops sepsoides Parallelevolution Querschwellen Statische Elektrizität im Sandsturm Elektrische Entladung an einem Sandfischrücken Triboelektrische Aufladung eines Glasstabs Triboelektrische Aufladung eines Plastikstabs Electronen-Akzeptor Electronen-Donator Sandfischschuppe Kopf Schwanz Gerichtete Triboelektrizität an der Sandfischschuppe Elektrisch neutrale Sandkörner mit gegensätzlich geladenen Spots Sandkorn Sandfisch Elektrostatische Schwebe-Hypothese Modernes Sand-Boarding * Eine Fußnote Auf der Suche nach neuen Bionik-Projekten Thema: Abriebfestigkeit der Wüstenflora Tamariske Ende www.bionik.tu-berlin.de
