Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen

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Botanische Gärten
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Lotus-Effect
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Biologie in Bonn
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Geschichte
Nees von Esenbeck

Forschungsschwerpunkte

Strukturvielfalt biologischer Oberflächen: systematische Relevanz und funktionelle Aspekte

Biologische Oberflächen sind selten glatt. Sie sind meist hochkomplex dreidimensional strukturiert. Die Bandbreite der Strukturen reicht von makroskopisch sichtbaren Gebilden wie Haaren, über Mikrostrukturen, bis weit hinab in den Nanometerbereich. Dabei übernehmen die Oberflächen für den Organismus wichtige Funktionen wie Temperaturkontrolle, Gasaustausch, Kommunikation, Schutz vor Mikroorganismen, Haftung und viele mehr. Mittels hochauflösender Raster-Elektronenmikroskopie und Raster-Kraftmikroskopie werden in der Arbeitsgruppe Grenzflächen die biologischen Oberflächen charakterisiert und die Entstehung der Strukturen und ihre Funktion entschlüsselt. Inzwischen existieren mehr als 300.000 Aufnahmen pflanzlicher und tierischer Oberflächen in unseren Archiven.

Superhydrophobe, selbstreinigende Oberflächen (Lotus-Effekt®)

Die Blattoberfläche der Lotuspflanze (Nelumbo nucifera) ist nicht glatt, sondern in zweifacher Weise strukturiert. Sie besitzt eine papillöse Epidermis (äußerste Zellschicht), mit Erhebungen, die einen Abstand von 20-30µm voneinander haben. Zusätzlich verfügt sie über eine Schicht feiner Wachskristalle, die sich in einem Abstand von 0,2–5µm befinden und hydrophob (Wasser abweisend) sind. Diese beiden Merkmale sind für die erstaunlichen Eigenschaften der Lotuspflanze, wie zum Beispiel die Selbstreinigung verantwortlich.

Durch die Strukturierung liegen Schmutzpartikel nur auf wenigen Spitzen der Oberfläche auf, wodurch ihre Haftkräfte mit der Oberfläche sehr gering sind und sie an abrollenden Tropfen (zum Beispiel Regentropfen) haften bleiben und vollständig entfernt werden.

Da es sich bei der Eigenschaft der Selbstreinigung um ein rein physikalisches Phänomen aus Oberflächenstruktur und -chemie handelt, lässt sie sich auf technische Produkte übertragen. Diese Übertragung erfolgte, mit Unterstützung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, in einem Verbund von derzeit 15 Industrieunternehmen und hat zu Produkten, zum Beispiel der Fassadenfarbe Lotusan® geführt, die mit dem Markennamen Lotus-Effect® gekennzeichnet sind.

Ein Problem, das technische Lotus-Effekt®-Oberflächen haben, ist die Regeneration der Funktionalität nach mechanischer Beschädigung oder nach Abdeckung der Strukturen durch feste fettige Verschmutzungen. Hiermit befassen wir uns in einem aktuellen Forschungsprojekt.

Superhydrophobe, unter Wasser lufthaltende Grenzflächen

Einige schwimmende und unter Wasser lebende Organismen besitzen strukturierte Oberflächen, die eine effektive und langfristige Fixierung von Luftschichten unter Wasser ermöglichen. Die Übertragung dieser optimierten hydrophoben Strukturen auf technische Oberflächen würde eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, von der Reibungsreduktion auf Schiffsrümpfen bis hin zur Bademode, die nicht nass wird. An 25 verschiedenen Tier- und Pflanzenarten wurden daher die Oberflächenstrukturen analysiert und Versuche zur Haltbarkeit von Luftschichten durchgeführt. Insbesondere zwei Systeme (Schwimmfarn und Wasserjagdspinne) wurden eingehender untersucht und die technische Übertragung getestet. Erste biomimetische Prototypen sind bereits in der Lage eine Luftschicht über vier Tage zu halten. In einem Großversuch konnte bei einem mit dem Prototypen bezogenen Schiffsmodell eine Reibungsreduktion von bis zu 10% gemessen werden.

Die Rolle strukturierter, funktionaler Oberflächen für die Interaktion von Pflanzen und Tieren

Interaktionen zwischen Pflanzen und Tieren spielen in der Natur eine Schlüsselrolle. Hierunter fallen elementare Prozesse wie zum Beispiel die Bestäubung von Blüten, die Ausbreitung von Samen, aber auch der Schutz vor Fressfeinden. Diese Interaktionen basieren in den meisten Fällen auf chemischen oder optischen Faktoren. So werden bestäubende Insekten oftmals durch Blütenduft und -farbe angelockt oder Pflanzenfresser durch giftige Inhaltsstoffe abgeschreckt. Neben diesen bereits sehr gut untersuchten Faktoren zeigen zahlreiche Pflanzen Merkmale, die rein mechanisch die Interaktion mit Tieren beeinflussen. So besitzen zahlreiche Pflanzen strukturierte Oberflächen, die dahingehend optimiert sind, dass Insekten besonders gut (zum Beispiel Blütenoberflächen) oder, in anderen Fällen, möglichst schlecht darauf laufen können. Letzteres findet sich zum Beispiel bei den zu Fallgruben umgewandelten Blättern einiger fleischfressender Pflanzen, die mit Hilfe von hochspezialisierten Gleitoberflächen Beutetiere fangen. Diese Struktur-Funktions-Beziehungen von Pflanzenoberflächen mit Fokus auf ihre Rolle bei der Interaktion von Pflanzen und Tieren, werden in der Arbeitsgruppe Grenzflächen untersucht.

Epikutikulare Wachse: Vielfalt, Struktur und Selbstorganisation

Epikutikulare Wachse bedecken nahezu jede Oberfläche von terrestrischen Pflanzen und bilden dadurch die äußerste Grenze zwischen der Pflanze und ihrer Umwelt. Sie spielen die zentrale Rolle bei der Ausbildung superhydrophober Oberflächen und einer Reihe weiterer Grenzflächeninteraktionen. Die Wachse liegen auf Pflanzenoberflächen in Form von kristallinen Filmen, Schichten oder spezifischen Einzelstrukturen vor, die wiederum eine große ultrastrukturelle Vielfalt aufzeigen (zum Beispiel Körnchen, Schuppen, Stäbchen, Fäden oder Röhrchen). Die pflanzlichen Wachse sind meistens nur 0,5 - 5 µm groß und nur selten erreichen die Einzelstrukturen auch Größen von 20 µm oder mehr. Die meisten Wachse selbst bestehen aus aliphatischen Kohlenwasserstoffverbindungen und ihren Derivaten, deren unterschiedliche Zusammensetzung der Hauptgrund für die große Formenvielfalt ist. Die Entschlüsselung der molekularen Architektur ist eines der hier am Institut verfolgten Ziele. Eine weitere Zielsetzung ist die Erforschung des so genannten „Self-assembly“ von Wachsen. Einige Pflanzen sind in der Lage beschädigte Wachsstrukturen zu regenerieren. Hierbei ermöglicht es die Rasterkraftmikroskopie den Bildungsprozess der Wachse direkt auf der pflanzlichen Oberfläche zu untersuchen. Die Selbstorganisation der Wachsmoleküle, die letztendlich zu den diversen Formen führt, ist nicht an die pflanzliche Oberfläche gebunden, so dass durch Rekristallisation dieselben Strukturen wie auf der Pflanze auch auf technischen Oberflächen erzeugt werden können.

Auswirkung der Substratstruktur auf die Haftung von wasserlebenden Makroinvertebraten

Tiere in Fließgewässern sind einer ständigen mehr oder weniger starken Wasserströmung ausgesetzt, sofern sie sich nicht nur in strömungsberuhigten Bereichen aufhalten. Deshalb benötigen sie morphologische Anpassungen um nicht aus ihrem Habitat verdriftet zu werden. Mittels Rasterelektronenmikroskopie und Lebendbeobachtung in der Fließrinne werden die Haftorgane ausgewählter Makroinvertebraten untersucht. Weiterhin wird das Zusammenwirken zwischen den Haftorganen und der Oberflächenrauheit des besiedelten Substrates erfasst. Für die bereits besser erforschten Haftsysteme an Land lebender Insekten ist bekannt, dass bestimmte Oberflächenrauheiten zu einer ausgesprochen schlechten Haftung führen. Das gewonnene Wissen über die Haftung aquatischer Insekten soll für die Entwicklung von adhäsiven und antiadhäsiven Oberflächen im Wasserbau genutzt werden.

Diese Forschungsarbeiten werden im Rahmen eines vom Bundesministerium für Verkehr Bau und Stadtentwicklung geförderten Projekts mit dem Titel „Wie beeinflusst die Mikrostruktur von Hartsubstraten die Haftung von Makroinvertebraten in Fließgewässern?“ an der Bundesanstalt für Gewässerkunde durchgeführt.