Salvinia-Effekt

Es Salvinia – Effekt beschreibt sterben Dauerhafte Stabilisierung Wacholder Luftschicht Auf einer OBERFLÄCHE unter Wasser. Basierend auf biology chen Vorbildern (zB Schwimmfarngewächsen (Salviniaceen) Rückenschwimmer(Rückenschwimmer)) eröffnen biomimetische Technischen Salvinia-OBERFLÄCHE ua sterben möglichkeit der Beschichtung von Schiff, sterben reibungsreduziert (erste prototypische OBERFLÄCHE Zeigt Eine Reibungsreduktion von bis zu 30%) Auf einer Luftschicht Durch das Wasser Gleiter und Energie und Emission einsparen.

Voraussetzungen Ist extrem wasserabstoßende superhydrophobe OBERFLäCHE mit bis zu Mehreren Millimetern Schlauch haarartige gekrümmte und elastische Struktur, stirbt unter Wasser Luftschicht einschließen sterben. Es Salvinia – Effekt Würde von ihnen Biologe und Bioniker Wilhelm Barth Lott ( Universität Bonn ) und mitarbeitern entdeckt und seit 2002 systematisch eine Tieren und Pflanzen untersucht. Publikationen und Patentierungen erfolgten between 2006 und 2016. [1] Die Schwimmfarn ( Salvinia ) mit extrem kompliziert geformten Haaren [2] und stirbt Rückenschwimmer wo Gattung Notonecta mit Einer Komplex Doppelstruktur aus Haaren (Setae ) und Microvilli erwiesen sich als bekannte biologische Vorbilder. Drehen Sie es ETWA Zehn Bekannt Salvinia-Spezies Zeigt daruber Hinaus Erstaunlich sterben, scheinbar Paradoxe Besonderheiten Wacholder Chemischen Heterogenität: hydrophila Haarspitzen, sterben sterben Luftschicht addition stabilisieren [3] .

Salvinia , Notonecta und andere Lebewesen mit Luft halten Oberflächen

Werden extrem Wasser abweisende ( superhydrophobe ) strukturierte OBERFLÄCHE unter Wasser getaucht, so Wird Luft, für Eine Begrenzt Zeit between den Aufbau und Eingeschlossen von der OBERFLÄCHE Gehalten. Die untergetauchten OBERFLÄCHE Weisen Dann EINEN silbrigen Glanz aufgrund der Lichtreflexion an der Grenzfläche between Luft und Wasser auf, siehe Totalreflexion.Langfristig Typen begegnet Luftschichten Sind auch von unter Wasser lebendiges Arthropoden Bekannt, sterben über diese „Luftglocke“ ( Plastron ) Atmen: beispielsweise sterben Wasser Stift ( Argyroneta ) und sterben Grundwanze ( Aphelocheirus ) .Luftschichten Dienen Auch zur Reibungsreduktion bei sich schnell unter Wasser bewegenden Tieren, Wie sie RückenschwimmerNotonecta . [4]

Die bekanntesten Beispiele für eine langzeitstabile Lufthaltung unter Wasser sind der Schwimmfarne der Gattung Salvinia . Die sind mit sehr vielen verschiedenen Arten in stehenden Gewässern aller wärteren Gebiete der Erde anzutreffen. Eine Kunst, Salvinia natans , kam im Frühling in Mitteleuropa an . Das Halten der Luft ist hier für die Strategie der Pflanzen. Die Oberseitere Schwimmbätter ist stark Wasser abweisend und weist eine äußerst komplexe und artspezifische sehr unterschiedliche Behavior auf [2] . Bei einer Anzahl von 3 bis 3 mm langen Haaren, zB Salvinia cucullata , bei Salvinia oblongifoliasind zwei Haare an der Spitze. Bei Salvinia Minima und Salvinia Natans stehen vier freie Haare auf einem Sockel. Die komplexesten Haare Haben die Riesen-Salvinia Salvinia molesta und Salvinia auriculata Eulen nahe verwandte Arten: Auf einem Gemeinsames Stiel Stehen je widmet Haare, sterben aber an der Spitze bleiben Verbunden. Das Ganze Ahnelt Einem Mikroskopie chen Schneebesen und hat sie zu Hits Ende Namen „Schneebesen-Haare“ ( eggbeater trichomes) geführt. Die Gesamt Blattoberfläche – einschließlich der Haare – ist meine nanoskaligen Wachskristallen, die für den wasserabgebenden Charakter der Oberfläche verantwortlich sind. The Blattoberflächen sind ein klassisches Beispiel für eine „hierarchische Strukturierung“ [2] .

Die Schneebesen-Haare von Salvinia Molesta und die Schätze der Kunst (B. B. Salvinia auriculata ) belagern eine zusätzliche denkenswerte Eigenschaft. Die vier Zelle ( „Anchor-Zelle“ [1] ) ein die Spitzen der trichomes Ist im Gegensatz zur übrigen OBERFLäCHE, wachsfrei: auch hydrophila Inseln Auf einer superhydrophoben OBERFLäCHE. This Chemische Heterogenität [3]ermöglichen eine „Pinning“ , wo die Luft-Wasser-Grenzfläche und Durch of this „Salvinia-Paradox“ optimieren druckstabile und persistent Luftschichten unter Wasser. [3] [5]

Die Luftschicht der Schwerter dient nicht zur Reibungsreduktion. Die ökologisch extrem anpassungsfähige Salvinia molesta ist in all Inzwischen Tropen und Subtropen der Erde Eine der bedeutendsten invasiven Pflanzen und SOMIT zu Werden Ein Wirtschaftliches und ökologisches Problem. [6] Ihre Wachstumsgeschwindigkeit ist sehr hoch. Sie Kann unter optimalen bedingungen in den Tropen Ihre Biomasse Innerhalb von vier Tagen verdoppeln. Für Empfehlung : Ihre ökologischen Erfolg wahrscheinlich die hier beschrieben Salvinia – Effekt Eines Entscheidenden Rolle spielt: die mehrschichtigen flottierenden Matte in der can Vermutlich Luftglocke unter Wasser Ihrer Funktion des Gasaustausch aufrechterhalten.

Funktion Prinzip

Wo Salvinia – Effekt beschreibt OBERFLäCHE, Durch Eine sterben Hydrophobe Chemie in verbindung mit Einer komplex Architektur [7] in der Nano- und mikroskopische Dimension in der Lage Ist, Dauerhaft verhältnismäßig dicken Luftschichten unter Wasser zu halten. Entdeckt Wird das phanom bei der Untersuchung von im Wasser lebendige Pflanzen und Tiere, sterben systematisch 2002-2007 [8] von Wilhelm Barth Lott und mitarbeitern an der Universität Bonn untersucht gerechnet wird. Es gerechnet werden Fünf Krite Galerien bestimmt [9] [10] , Die Die eXistenZ stabile Luftschichten unter Wasser ermöglichen und seit 2009 als Salvinia Effect [11] bezeichnet werden: Die (1)Hydrophob Chemie der Öberfläche, sterben in Kombination mit (2) , um die Nanostruktur Eine Superhydrophobie Generiert, (3) haarartige Mikroskopische Micro- bis einige Millimeter Mehrere Hohe Struktur, die (4) Hinterschneidungen aufweisen und (5) elastisch Sind. Elastizität Scheint for the Compression wo Luftschicht unter wechselnden hydrostatischen bedingungen wichtig zu sein [12] . Als addition optimiert Criterion Können Chemische Heterogenitäten Durch Ankerzellen als hydrophila Pins (Salvinia-Paradox [3] [5] ) hinzukommen. Es geht um das Paradebeispiel und die hierarchische Strukturierung auf mehreren Ebenen. [11]

In der Biologie Ist Salvinia-Effekt OBERFLäCHE immer in relativ kleinen Did Comp Arti mit Einer Länge von ETWA 0,5-8 cm fragmentiert und sterben Randt Durch Eine besondere Mikroarchitektur [2] [13] vom seitlich entweichen mit Raum geschützt. This Compartimentierung mit ihren Randeffekten sind für die technische Umsetzung von Bedeutung.

Im following Wird das Funktionsprinzip am beispiel von Salvinia molesta Erklärt [3] . Ihre Blätter Sind in der Lage, unter Wasser Eine Luftschicht langzeitstabil (mehrere Wochen) eine ihrer OBERFLÄCHE zu halten. Wird ein Blatt unter Wasser gezogen, so Zeigt ich die zuvor beschrieben silbrigen Glanz an der Blattoberfläche. Die Besonderheit bei Salvinia liegt in der Langzeitstabilität. Während sterben Air bei den meisten Hydrophobe Oberflächen nach kurzer BEREITS Zeit verschwunden ist, ist Salvinia molesta in der Lage, sie für Tage Mehrere, Sogara Wochen zu halten, Wobei Dauer sterben Lediglich Durch Lebenszeit Dezember Blatter limitierte Wird sterben.

Die hohe Stabilität wo Luftschicht ist auf zunächst paradox erscheinende Kombination Einen sterben superhydrophoben (Wasser abweisende) OBERFLäCHE mit hydrophila (Wasser lieb) Stellen einer Höhle Strukturspitzen zurückzuführen.

Beim Untertauchen hängt von den Superhydrophoben ab. Das Wasser wird durch die vier wachsfreien (hydrophilen) Zecken an der Spitze.

Dieses „Festhalten“ trägt die Verantwortung für eine Stabilisierung der unter Wasser gehaltenen Luftschicht. Das Prinzip ist in der Abbildung gezeigt.

Hier ist schematisch Zwei unter Wasser getauchte, Klima hinkend Oberflächen dargestellt: Auf den Link Seite Eines rein hydrophobe OBERFLäCHE, auf der Seite rechts Eine OBERFLäCHE mit hydrophila Spitzen.

Wird nun ein Unterdruck angelegt, so dass das Bild sich im Fall der Rentiere Hydrophobe OBERFLÄCHE (Links) recht schnell Eine Luftblase, sterben sich über Mehrere Struktur erstreckt, dann das Wasser auf den Lediglich Strukturspitzen aufliegt. Diese Blase kann eine Antwort und einen Verlust haben. Die Luft steigt eine Matrize OBERFLÄCHE und sterben Luftschicht Wird bis hin zu IHREM Volligen Verschwinden verringert.

Im Fall der Oberfläche mit hydrophilen Spitzen (rechts) wird das Wasser durch die hydrophile Stelle an der Spitze jeder Struktur „festgepinnt“ (gebündelt). Durch diese Bindung ist das Bilde einer Luftblase, die über mehrere Strukturen hinausgeht, beträchtlich erhöht. Mehrere Bindungen Gelöst wurde müssen. Dies bedeutet einen sehr gefallenen grünen Energieaufwand. Dies ist ein wesentlicher höherer Unterdruck, um eine große Luftblase zu erzeugen, die sich ablöst und eine Oberfläche aufstellen kann.

Biomimetische technische Anwendung

Schematische Darstellung zum Vergleich der Strömungsprofile von Wasser auf einer Festkörperoberfläche und einer Luftoberfläche

Für technische Anwendungen Sind unter Wasser Luft hinkend OBERFLäCHE von großen Interesse. Gelingt es Eine Sölch OBERFLÄCHE technisch herzustellen, so Könnte man beispielsweise Schiffsrümpfe DAMIT beschichten, um so Reibung with the umgebenden Wasser zu verringern und erhebliche Mengen einer Treibstoff und DAMIT verbundenen dieters einzusparen Eulen Schädlich Umwelteinflüsse (die Antifouling – Effekt Durch Die Luftschicht) zu verringern. [14] BEREITS 2007 läuft Zwei Versuchsboote mit Einer um rund 10% reduzierte Reibung, [8] und das Prinzips Wird in der Folge patentiert. [15] Inzwischen geht man Davon aus, sterben Dass Reibungsreduktion über 30% Liegt. [16]

Dein zugrundrundes Prinzip ist schematisch in der Abbildung dargestellt. Es sieht den Vergleich der Strömungsprofile von Wasser das laminar über eine Festkörperoberfläche hinaus. eine Luft schlagende Oberfläche strömte.

Versorgen Sie das Wasser über Eine Festkörperoberfläche glatt, so ist seine geschwindigkeit Direkt an der oberfläche aufgrund wo Reibung Zwischen den Wassermolekülen und die Festkörpermolekülen gleich null. Wird nun Eine Luftschicht Zwischen den Festkörper und das Wasser eingebracht, so Zeigt sich, sterben an der Dass geschwindigkeit Grenzfläche between Wasser und Luft in diesem Fall Ungleiche Null ist. Durch Die geringe viskosität der Luft (55 template Niedriger als viskosität von Wasser sterben) Wird Übertragung Nach der sterben Reibungskräfte um Höhle Gleichen Factor Reduziert.

Die Forsch Arbeiten DERZEIT DAHER an der Entwicklung Eines biomimetischen unter Wasser permanente Luft lame Ende OBERFLäCHE nach DER Vorbild von Salvinia molesta [17] , DANN sterben Reibungsreduktion auf Schiff aufgebracht Werden Kann. [18]

Literatur

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  • Barthlott, W., Mail, M. & C. Neinhuis, (2016) Superhydrophobe hierarchisch strukturierte Oberflächen in der Biologie: Evolution, Strukturprinzipien und biomimetische Anwendungen. Phil. Trans. R. Soc. A 374: 20160191. doi: 10.1098 / rst.2016.1191
  • Barth Lott, W., Schimmel, T., Wiersch, S., Koch, K., Breit, M., Barczewski, M., Walheim, S., Weis, A., genannt Maier, A., Kopf, A. & HF Bohn, (2010): The Paradox Salvinia: superhydrophobe Oberflächen mit hydrophilen Stiften für die Luftrückhalte unter Wasser . Fortgeschrittene Materialien 22: 1-4 doi: 10.1002 / adma.200904411
  • Barthlott, W., Rafiqpoor, MD & WR Erdelen, (2016) Bionik und Biodiversität – Bio-inspirierte technische Innovation für eine nachhaltige Zukunft. in: J. Knippers et al. (Hrsg.): Biomimetische Forschung für Architektur und Hochbau – Springer Verlag, S. 11-55 doi : 10.1007 / 978-3-319-46374-2
  • Bhushan, B, (2016) Salvinia-Effekt, In: Biomimetik: Bioinspirierte hierarchisch strukturierte Oberflächen für grüne Wissenschaft und Technik . Springer, S. 205-212. doi: 10.1007 / 978-3-642-02525-9

Einzelstunden

  1. ↑ Hochspringen nach:a b Barthlott, W., Mail, M. & C. Neinhuis, (2016) Superhydrophobe hierarchisch strukturierte Oberflächen in der Biologie: Evolution, Strukturprinzipien und biomimetische Anwendungen. Phil. Trans. R. Soc. A 374.2073 doi: 10.1098 / rst.2016.1191
  2. ↑ hochspringen nach:a d Barth Lott, W., Wiersch, S., Koliken, Z., & K. Koch (2009) Classification of trichome Typen innerhalb von Arten des Wasser Salvinia und Ontogenese des Ei-beater Trichomen. Botanik . 87 (9). pp. 830-836, doi: 10.1139 / B09-048 .
  3. ↑ hochspringen nach:a e Barth Lott, W., Schimmel, T., Wiersch, S., Koch, K., Breite, M., Barczewski, M., Walheim, S., Weis, A., Called Maier , A., Leader, A. & H. Bohn, (2010). Die Salvinia Paradox: superhydrophobe Oberflächen mit hydrophilen Stiften für die Luftrückhalte unter Wasser. Fortgeschrittene Materialien . 22 (21). pp 2325-2328, doi: 10.1002 / adma.200904411 .
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