Mikrostrukturierte Pflanzenblätter

Effiziente, natürliche Ölabsorber und Inspiration für künstliche ölabsorbierende Materialien

  • Abb. 1: Wassertropfen perlen an der haarigen, superhydrophoben Oberfläche des Schwimmfarns Salvinia ab, gleichzeitig sind die Blätter superoleophil. Sie können in den Zwischenräumen zwischen den Haaren große Mengen Öl absorbieren und nehmen dabei kein Wasser auf.Abb. 1: Wassertropfen perlen an der haarigen, superhydrophoben Oberfläche des Schwimmfarns Salvinia ab, gleichzeitig sind die Blätter superoleophil. Sie können in den Zwischenräumen zwischen den Haaren große Mengen Öl absorbieren und nehmen dabei kein Wasser auf.
  • Abb. 1: Wassertropfen perlen an der haarigen, superhydrophoben Oberfläche des Schwimmfarns Salvinia ab, gleichzeitig sind die Blätter superoleophil. Sie können in den Zwischenräumen zwischen den Haaren große Mengen Öl absorbieren und nehmen dabei kein Wasser auf.
  • Abb. 2: Die Ölaufnahmefähigkeit der haarigen Blätter der Wasserpflanzen Salvinia molesta und Pistia stratiotes übersteigt die von haarfreien Lotusblättern um ein Vielfaches. Nanopelz, der das bionische Produkt nach dem Vorbild der Salvinia darstellt, nimmt ebenfalls große Mengen Öl auf, kann die Ölkapazität seines biologischen Vorbilds jedoch bislang nicht ganz erreichen.
  • Abb. 3: Entgegen der intuitiven Erwartung, hängt die Ölaufnahmefähigkeit der Salvinia-Blätter nicht nur von der Länge der Haare (Trichome) auf der Blattoberfläche ab, sondern auch von ihrer Form. Die Enden der Haare von S. molesta und S. oblongifolia sind miteinander verbunden, wodurch die Öl-Luft-Grenzfläche besser unterstützt wird und mehr Öl aufgenommen werden kann, als von den einzelnen Haaren von S. minima und S. cucullata.

Claudia Zeiger

Rohöl stellt heutzutage eine wichtige Ressource dar, beispielsweise als Energiequelle oder als Rohmaterial für eine große Bandbreite von Produkten. So beträgt der derzeitige weltweite Bedarf an Öl ungefähr 94 Millionen Barrel pro Tag [1], wobei während der gesamten Wertschöpfungskette, ebenso wie durch Unfälle oder industrielle Abwässer, immer wieder große Mengen Öl in die Umwelt gelangen, wo sie massive Schäden verursachen. Zu den konventionellen Methoden zur Bekämpfung einer Ölpest zählen die chemische Dispergierung und die kontrollierte Verbrennung des Öls. Beide Methoden bewirken jedoch in erster Linie nur eine Verlagerung der Problematik, da durch sie neue Umweltgefahren entstehen. Als Mittel der Wahl gilt deshalb das frühzeitige Abschöpfen des an der Wasseroberfläche schwimmenden Öls, was aber nachgelagerte, aufwändige und teure Trennverfahren erforderlich macht, da Ölabsorber häufig neben dem Öl auch große Mengen Wasser aufnehmen. Um diese Problematik zu umgehen, sind Materialien mit speziellen Benetzungseigenschaften erforderlich, die  möglichst große Mengen Öl absorbieren (superoleophil sind), Wasser jedoch abweisen (superhydrophob).

Schwimmfarn als Ölabsorber
Der Schwimmfarn Salvinia weist genau diese Eigenschaften auf: Auf der Oberseite seiner Blätter befinden sich Haare (Trichome), deren Länge zwischen 0,25 mm und 3 mm variiert. Diese wiederum sind hierarchisch strukturiert, und bestehen aus mikrome-tergroßen, konvexen Zellen, die von einer nanostrukturierten Wachskristallschicht überzogen sind. Diese Kombination aus hierarchischer Strukturierung und wasserabweisender Wachsoberfläche sorgt dafür, dass Wasser von der Oberfläche der Pflanzenblätter abperlt und kein Wasser in die Zwischenräume zwischen den Haaren eindringen kann [2]. Im Kontakt mit Öl hingegen verhält sich die Blattoberfläche konträr, sie ist superoleophil und absorbiert große Mengen Öl in den Haarzwischenräumen (Abb. 1).

In der Vergangenheit wurde bereits die Ölaufnahmefähigkeit von getrockneten, pulverisierten Salvinia-Blättern untersucht [3]. Da beim Zerkleinern der Blätter jedoch die haarige Blattoberfläche zerstört wird, verlieren die Blätter dadurch auch ihre superhydrophobe Eigenschaft, und neben dem Öl wird auch Wasser absorbiert.

Darüber hinaus konnte über den Einfluss der Haare auf die Ölaufnahme bislang nur spekuliert werden. In einer Zusammenarbeit des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Bonn wurde nun erstmals die Ölabsorptionsfähigkeit der ganzen, unzerkleinerten Blätter untersucht. Um genauere Erkenntnisse über die Rolle der Haare zu erhalten, wurden die superhydrophoben, haarigen Blätter der Wasserpflanzen Salvinia molesta (Schwimmfarn) und Pistia stratiotes (Wassersalat) mit den ebenfalls superhydrophoben, aber haarfreien Lotusblättern verglichen. Wie in Abbildung 2 dargestellt, nehmen die haarigen Blätter mit durchschnittlich ca. 650 g/m2 bzw. 420 g/m2 wesentlich mehr Öl auf, als Lotusblätter (knapp 90 g/m2) [4]. Ebenfalls dargestellt ist die Ölaufnahmefähigkeit von Nanopelz, einem biomimetischem Material, welches aus der Natur bekannte Effekte auf künstliche Anwendungen überträgt und sie so technisch nutzbar macht. Nanopelz ist eine Polymerfolie, auf deren Oberfläche sich unzählige mikro- und nanoskalige Härchen befinden. Ebenso wie die haarigen Blätter der Salvinia-Pflanze, ist Nanopelz superhydrophob und superoleophil, kann also selektiv Öl absorbieren – abhängig von den Herstellungsparametern durchschnittlich ca. 370 g/m2 [5,6,7]. Dass die beeindruckenden Werte des natürlichen Vorbilds Salvinia von dem künstlichen Ölabsorber noch nicht erreicht werden, zeigt jedoch das vorhandene Verbesserungspotenzial – ein erneuter Blick in die Natur ist also durchaus lohnenswert.

Effekt der Haare auf die Ölaufnahmefähigkeit
Um weiter zu untersuchen, welchen Effekt die Haare, und insbesondere die Form der Haare, auf die Ölaufnahmefähigkeit von Oberflächen haben, wurden in weiteren Untersuchungen Blätter verschiedener Salvinia-Arten verglichen. Innerhalb der Gattung Salvinia existieren vier verschiedene Haartypen, wobei für jeden Typ repräsentativ eine Salvinia-Art untersucht wurde. Die simpelste Struktur haben dabei die Blätter von Salvinia cucullata mit einzelnen, aus der Blattoberfläche hervorstehenden Haaren. Salvinia minima-Haare bestehen aus jeweils einem Stamm, der sich zu vier Haaren aufspaltet. Auf Salvinia oblongifolia finden sich Gruppen zu je zwei Haaren, deren Haarspitzen miteinander verbunden sind. Die komplexeste Struktur weisen Salvinia molesta Blätter auf, ihre Haare sind schneebesenförmig, jeder Stamm spaltet sich zu vier Haaren auf, wobei deren Spitzen wiederum miteinander verbunden sind (Abb. 3) [8,9].

Intuitiv spielt für die Ölkapazität der Blätter die Haarlänge eine entscheidende Rolle. In der Tat haben die Messungen gezeigt, dass S. molesta mit einer durchschnittlichen Haarlänge von rund 2,6 mm nicht nur die längsten Haare aufweist, sondern auch die größte Menge Öl bezogen auf die Blattoberfläche aufnehmen kann. Konträr stellen sich jedoch die Ergebnisse der weiteren Messungen dar: S. oblongifolia hat zwar die kürzesten Haare (ca. 0,3 mm) aller untersuchten Salvinia-Arten, ihre Ölkapazität übersteigt jedoch die von S. minima und S. cucullata, welche mit 0,9 mm bzw. 0,6 mm beide längere Haare besitzen (vgl. Abb. 3) [4].

Einfluss der Haarformen auf den Kontakt mit Öl
Um die Gründe für dieses Phänomen zu erforschen, wurde näher untersucht, wie die verschiedenen Haarformen sich im Kontakt mit Öl verhalten. Es hat sich herausgestellt, dass die verbundenen Haarspitzen von S. molesta und S. oblongifolia die Öl/Luft Grenzfläche optimal unterstützen, folglich sind die Zwischenräume zwischen den Haaren bis zu den Spitzen mit Öl gefüllt und die komplette Länge der Haare steht zur Ölaufnahme zur Verfügung. Die einzelnen Haarspitzen von S. minima und S. cucullata hingegen verbiegen sich entweder, oder sie durchbrechen die Öl/Luft Grenzfläche und ragen in die Luft, was in beiden Fällen dazu führt, dass nur ein Teil der Haarlänge zur Ölabsorption genutzt werden kann (siehe Skizze in Abb. 3) [4].

Diese Erkenntnisse sind nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern aus gleich zwei Gründen auch praxisrelevant: Zum einen hat sich herausgestellt, dass Salvinia molesta aufgrund ihrer enormen Ölkapazität großes Potenzial hat, als natürlicher Ölabsorber eingesetzt zu werden. Hierbei ist insbesondere interessant, dass durch entsprechende Trocknungstechniken, bei denen die Struktur weitgehend erhalten bleibt, auch die getrockneten Blätter ebenso große Ölmengen absorbieren. Zum anderen können die Ergebnisse dieser Untersuchung helfen, künstliche Ölabsorber wie den Nanopelz weiter zu verbessern und deren Ölaufnahmefähigkeit zu erhöhen.

Kontakt
Claudia Zeiger
Institut für Mikrostrukturtechnik
KIT - Karlsruher Institut für Technologie
Eggenstein-Leopoldshafen
claudia.zeiger@kit.edu

Mehr zum Thema Umwelt: http://www.git-labor.de/category/tags/umwelt?page=1
 
Was ist Nanopelz?:http://kit-neuland.de/2013/nanopelz/
Referenzen

[1] "EIA - Energy Information Administration," [Online]. Available: eia.gov. [Accessed 20 12 2015].
[2] B. Bhushan, Biomimetics - Bioinspired Hierarchical-structured Surfaces for Green Science and Technology, 2nd Ed. ed., Springer International Publishing Switzerland, 2016. DOI: 10.1007/978-3-642-25408-6
[3] T. H. Ribeiro, R. W. Smith and J. Rubio, "Sorption of Oils by the Nonliving Biomass of a Salvinia sp.," Environ. Sci. Technol., no. 34, pp. 5201-5205, 2000. DOI: 10.1021/es991139g
[4] Claudia Zeiger, Isabelle C Rodrigues da Silva, Matthias Mail, Maryna N Kavalenka, Wilhelm Barthlott, Hendrik Hölscher. Microstructures of superhydrophobic plant leaves - inspiration for efficient oil spill cleanup materials. ‎Bioinspir. Biomim., 2016; 11 (5): 056003 DOI: 10.1088/1748-3190/11/5/056003
[5] M. Röhrig, M. Mail, M. Schneider, H. Louvin, A. Hopf, T. Schimmel, M. Worgull and H. Hölscher, "Nanofur for Biomimetic Applications," Adv. Mater. Interfaces, no. 1 (4), p. 130083, 2014. DOI: 10.1002/admi.201300083
[6] M. N. Kavalenka, A. Hopf, M. Schneider, M. Worgull and H. Hölscher, "Wood-based microhaired superhydrophobic and underwater superoleophobic surfaces for oil/water separation," RSC Advances, pp. 31079-31083, 2014. DOI: 10.1039/C4RA04029E
[7] M. N. Kavalenka, F. Vüllers, S. Lischker, C. Zeiger, A. Hopf, M. Röhrig, B. E. Rapp, M. Worgull and H. Hölscher, "Bioinspired Air-Retaining Nanofur for Drag Reduction," ACS Appl. Mater. & Interface, no. 7, p. 10651−10655, 2015. DOI: 10.1021/acsami.5b01772
[8] W. Barthlott, S. Wiersch, Z. Čolić and K. Koch, "Classification of trichome types within species of the water fern Salvinia, and ontogeny of the egg-beater trichomes," Botany, no. 87, pp. 830-836, 2009. DOI: 10.1139/B09-048
[9] M. J. Mayser, H. F. Bohn, M. Reker and W. Barthlott, "Measuring air layer volumes retained by submerged floating-ferns Salvinia and biomimetic superhydrophobic surfaces," Beilstein J. Nanotechnol., no. 5, p. 812–821, 2014. DOI: 10.3762/bjnano.5.93

 

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