PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung „Bionik I“

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1 PowerPoint-Folien zur 9. Vorlesung „Bionik I“
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

2 Mikro- & Nano-Strukturen
Kongo-Rosenkäfer (Pachnoda marginata) Painted Lady (Vanessa kershawi) Sandskink der Sahara (Scincus scincus) ? Amurnatter (Elaphe schrencki schrencki) Wasserbrotwurzel (Colocasia esculenta) Weißhai (Carcharhinus) Dunkelkäfer der Namib (Stenocara sp.) Gletscherfloh (Isotoma saltans) Biologische ? Mikro- & Nano-Strukturen

3 Der Lotus-Effekt In Asien gilt die Lotus-Pflanze als
religiöses Symbol der Reinheit. Der Lotus-Effekt

4 Foto: A. Regabi El Khyari
Lotus-Effekt an einem Kohlblatt

5 Entwicklung der Lotus-Farbe
REM 30 μm Selbstreinigung Bionik-Produkt Entwicklung der Lotus-Farbe

6 Testflächen an meiner Hauswand nach 3 ½ Jahren
Lotusan Fassadenfarbe normale Fassadenfarbe Testflächen an meiner Hauswand nach 3 ½ Jahren

7 Oberfläche einer Sumpfpflanze
(Botanischer Garten Shanghai)

8 Glatte wasseranziehende Oberfläche: Rauhe wasserabstoßende 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

9 Der Lotus-Effekt in Aktion

10 Oberflächenspannung und Benetzungswinkel
Young-Formel: Adhäsion > Kohäsion Adhäsion < Kohäsion Adhäsion << Kohäsion Oberflächenspannung und Benetzungswinkel

11 Der erweiterte Lotuseffekt
Sekundäre Struktur 1 × 1 cm Technische Nachbildung Lotusblatt Der erweiterte Lotuseffekt

12 Der erweiterte Lotuseffekt
Wassertropfen Wassertropfen Der erweiterte Lotuseffekt

13 Lotuseffekt-Dachziegel
mit Photokatalyse-Effekt Prof. Wilhelm Barthlott

14 Der Mottenaugen-Effekt

15 Mikro-Optik des Mottenauges
130 fach 420 fach 1650 fach Mikro-Optik des Mottenauges 4120 fach Mikro-Noppen

16 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 l <

17 Hummelschwärmer (Hemaris fuciformis) Der Hummelschwärmer imitiert mit seinen optisch verkleinerten Flügeln eine Hummel (Mimikry)

18 ? Unsichtbare Qualle

19 Geprägte Nanostruktur mit 200 nm Noppenabstand
Eine Mottenaugen-Glasscheibe

20 Der Mottenaugeneffekt

21 Wunder Gecko-Fuß

22 Geckos haften über atomare Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte) an der Wand
2 kg (theoretisch) Mikrohaare Photo: M. Moffet Geckos haften über atomare Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte) an der Wand Der Gecko an der Wand Beispiel Zwischenmaß

23 Nanostruktur des Gecko-Fußes
Ein Borstenhaar besitzt Nanohaare Eine Gecko-Zehe besitzt Borstenhaare Nanostruktur des Gecko-Fußes

24 Van-der-Waals-Kräfte
Adhäsion durch Van-der-Waals-Kräfte Oberfläche 1 Der Gecko-Effect Kontaktstellen Technische Oberfläche Oberfläche 2 Nanohaare ! Kleine Kontaktfläche Kleine Adhäsionskraft Große Kontaktfläche Große Anhäsionskraft Mikrohaar

25 Synthetische Geckohaare für Spiderman (New Scientist )

26 Gecko-Tape Vorteil: Temporäre Haftung ohne Klebereste Technik Biologie

27 Nebelfänger in der Wüste

28 Nebel-Ernten in der Namib-Wüste

29 Dunkelkäfer der Namibwüste (Stenocara sp.)
Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence 10 mm Hydrophile Kuppen Hydrophobe Basisoberfläche Ähnlich dem Lotus-Effekt ®

30 Hydrophobe Noppen Nebeltröpfchen Hydrophile Kuppen

31 Hydrophobe Noppen Nebeltröpfchen Hydrophile Kuppen Kondensation

32 Hydrophobe Noppen Nebeltröpfchen Hydrophile Kuppen Gesammelter Tau
Zum Käfermund Gesammelter Tau

33 Experiment von Parker und Lawrence
Wächserne Oberfläche Sprühflasche Luftstrom Glaskügelchen Ventilator Experiment von Parker und Lawrence

34 Foto: A. Regabi El Khyari
Der Sandfisch-Effekt

35 Sandfisch ?

36 Der Sandfisch der Sahara

37 Eigenschaften der Sandfischschuppe
M. Zwanzig, IZM Reibung Abrieb Sandströmung Ladungsemission 8µm

38 GPS: Mein Sahara Labor Feld- arbeit in der Sahara N 31° - 15‘ – 02“
W 03° - 59‘ – 13“ Erg Chebbi

39 Einfaches Granulat-Reibmessgerät für Feldversuche
Granulatkanüle Reibwinkelskala Objektplattform Handstellhebel

40 Zur Messung des dynamischen Reibungskoeffizienten

41 20° Sandskink Messung des Sand-Gleitwinkels Sand fließt 18°
Sand stoppt Sandskink Messung des Sand-Gleitwinkels

42 Sand Gleitwinkel n o n l o f s l e a y T l tahl N G k n i S k S 40 35
35 30 25 Sand Gleitwinkel n 20 n o l o f s l e y 15 a T l N k tahl G n 10 i S k S Sahara-Messung 2002 5 Gleitreibung: Sandfisch im Vergleich zu technischen Materialien

43 Reibungsmessung mit einem sandgefüllten Zylinder

44 Sand-Zylinder- Messungen
25 20 Stahl l e 58 % k n i 15 w t i e Skink l g d 10 n a S Sand-Zylinder- Messungen 5 15 16 18 20 20 21 21 21 21 24 24 25 25 26 26 27 30 30 ste August Stahl = 19° Reibungs-gleitwinkel: Sandskink = 12° Caudal Sandskink = 18° Cranial

45 Sandfischschuppe unter dem Rasterelektronenmikroskop
Sand Strömung 8µm Rücken Bauch

46 Schwellenstruktur in Schrägansicht
Sandströmung 6 µm Schwellenstruktur in Schrägansicht

47 Gleitrichtung Größenrelation Sandkorn auf Mikroschwellen

48 Abrieb der Sandfischschuppen

49 Zur Abrasionsfestigkeit
Die Sandfischhaut glänzt immer während technische Oberflächen im Sandwind schnell matt werden ! Zur Abrasionsfestigkeit

50 Einfache Vorrichtung für die Abriebversuche
Sandtrichter Sandstrahl Objektplattform

51 Stahl Abriebfleck: Glas Auftreffpunkt des Sandstrahls
Sandstrahlzeit: 10 Stunden ! Stahl Abriebfleck: Glas

52 Sandabrieb unter dem Microskop
Glas Vergrößerung ≈ 200 Sandabrieb unter dem Microskop 2 Stunden Strahlzeit 20 cm Strahlhöhe Mit Tesafilm abgedeckt Sandstrahlerosion Sandfisch Vergrößerung ≈ 1000 Sandfisch Vergrößerung ≈ 1000 Vorher Nachher

53 Sandfisch Sandboa Parallelevolution

54 Sandfisch Sandskink Sandboa Parallelevolution

55 Keilschleiche Sphenops sepsoides
Parallelevolution Querschwellen

56 Statische Elektrizität im Sandsturm

57 Elektrische Entladung an einem Sandfischrücken

58 Triboelektrische Aufladung eines Glasstabs

59 Triboelektrische Aufladung eines Plastikstabs

60 Gerichtete Triboelektrizität an der Sandfischschuppe
Electronen-Akzeptor Electronen-Donator Sandfischschuppe Kopf Schwanz Gerichtete Triboelektrizität an der Sandfischschuppe

61 Elektrisch neutrale Sandkörner mit gegensätzlich geladenen Spots

62 Elektrostatische Schwebe-Hypothese
Sandkorn Sandfisch Elektrostatische Schwebe-Hypothese

63 Modernes Sand-Boarding

64 * Eine Fußnote

65 Auf der Suche nach neuen Bionik-Projekten

66 Thema: Abriebfestigkeit der Wüstenflora

67

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69

70 Tamariske

71 Ende