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1 Datum: Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen Tel. +41 (0) 71 278 02 04, info@swissnanocube.ch www.swissnanocube.ch Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen Der Lotus-Effekt ® 3. September 2014

2 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Selbstreinigende Oberflächen: Der Natur abgeschaut 2 Quelle: Swiss Nano-Cube Nanostrukturierte Oberflächen mit selbstreinigenden Eigenschaften Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Versuchsanleitung Lotuseffekt zu finden.

3 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Inhalt 3  Einführung  Theoretische Grundlagen  Intermolekulare Bindungen  Oberflächenspannung  Hydrophobie und hydrophober Effekt  Das Lotusblatt (I): Oberflächenstruktur  Das Lotusblatt (II): Kontaktwinkel  Der Künstliche Lotus-Effekt ®  Lernziele

4 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Einführung 4 Video: Lotusan: Technische Verwendung des Lotuseffekt www.sto.de Video Lotusan

5 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 5 Intermolekulare Bindungen  Bindungen zwischen Molekülen (nicht kovalent!).  Verantwortlich für die Ordnung in Feststoffen und Flüssigkeiten.  In Gasen existieren keine intermolekularen Bindungen.  Unterteilung nach Bindungsstärke:  Inoenbindungen (stark).  Van der Waals Bindungen (schwach).  Weitere Unterteilung der Van der Waals Bindungen:  Dipol-Dipol Bindungen (stärker, z.B. bei Wassermolekülen).  Londonsche Dispersionskräfte (schwächer, z.B. Ölen).

6 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 6 Oberflächenspannung Quelle: Swiss Nano-Cube

7 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 7 Hydrophobie und hydrophober Effekt  Hydrophob: Griechisch für wasserabweisend.  In der Chemie: Hydrophob steht für schwach Wasser bindend (z.B. Öle, Fette, Wachse).  Hydrophober Effekt:  Entsteht, wenn sich hydrophobe Moleküle in Wasser befinden.  Dipol-Dipol Bindungen zwischen Wassermolekülen sind gegenüber den schwachen Londonschen Dispersionskräften bevorzugt.  Wassermoleküle versuchen, möglichst viele Dipol-Dipol Bindungen untereinander einzugehen.  Verringerung der Bindungsoberfläche zu den hydrophoben Molekülen, mit denen die Wassermoleküle nur schwache Bindungen eingehen können.  Bildung von „Öltropfen“ im Wasser.

8 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 8 Das Lotusblatt (I): Oberflächenstruktur Quelle: Swiss Nano-Cube Superhydrophob: Hydrophobie + Geringe Kontaktfläche Sehr geringe Haftung an der Oberfläche

9 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 9 Das Lotusblatt (II): Kontaktwinkel Quelle: Swiss Nano-Cube

10 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 10 Der Künstliche Lotus-Effekt ® (I)  Der Lotus-Effekt ® bezeichnet die selbstreinigende Eigenschaft einer Oberfläche.  Selbstreinigend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Oberfläche durch Wasser ohne den Einsatz weiterer Substanzen gereinigt werden kann.  Der Effekt ist nicht auf die Lotuspflanze beschränkt und kann auch künstlich erzeugt werden.  Dabei werden die zu behandelnden Oberflächen künstlich rau gemacht, so dass ihre äusserste Schicht, ähnlich wie die Blätter der Lotuspflanze, eine im Nanometerbereich „hüglige“ Struktur aufweist.

11 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Theoretische Grundlagen 11 Der Künstliche Lotus-Effekt ® (II)  Ein Verfahren zur künstlichen Herstellung superhydrophober Oberfläche ist das Sol-Gel-Verfahren.  Ausgangsmaterial: Siliziumdioxid-Nanopartikel mit hydrophoben Seitenketten in stabiler Dispersion.  Durch allmählichen Entzug des Dispersionsmittels bildet sich ein Gel, welches auf Oberflächen aufgetragen werden kann.  Nachdem der Rest des Lösungsmittels verdunstet ist, bleibt eine raue, hydrophobe Oberflächenbeschichtung zurück Quelle: Swiss Nano-Cube

12 © 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Lernziele  Den Hydrophoben Effekt verstehen und erklären können, warum hydrophob nicht gleich wasserabweisend ist.  Verstehen, was die besonderen Eigenschaften der Lotuspflanze sind.  Das Sol-Gel-Verfahren beschreiben können.  Erklären können, was superhydrophob bedeutet. 12