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Grosses Lotosblatt mit Wassertropfen

Wie funktioniert eine Nanobeschichtung?

Das Prinzip, das sich hinter den sogenannten selbstreinigenden Oberflächen verbirgt

Wassertropfen auf einem Lotosblatt

Die Natur als Vorbild.

Der Natur abgeschaut

Selbstreinigende Oberflächen sind vielleicht eines der berühmtesten Beispiele für menschliche Erfindungen, die der Natur abgeschaut sind. Genau wie der Klettverschluss von der Klette inspiriert wurde, der Fallschirm vom Löwenzahn oder der Saugnapf vom Tintenfischtentakel, so wurde die wasser- und schmutzabweisende Oberfläche dem Lotosblatt nachempfunden, das eine äusserst geringe Benetzbarkeit aufweist, so dass Wasser und Schmutz an ihm einfach abperlen. Die selbstreinigenden Eigenschaften des Lotos sind dem Menschen bereits seit Jahrtausenden bekannt und sie sind der Grund, weshalb diese Pflanze im Buddhismus als Symbol der Reinheit gilt. Aber obwohl Forscher und Erfinder sich immer schon von der Natur haben inspirieren lassen – das berühmteste Beispiel sind wohl die Flügel, mit denen Leonardo da Vinci den Menschen das Fliegen lehren wollte – geschah die Nachahmung des Lotosblattes erst relativ spät, in den 90er Jahren des vorigen Jahrhunderts. Grund hierfür ist, dass die hydrophobe (d. h. wasserabweisende) Struktur des Lotosblattes nicht nur sehr kompliziert ist, sondern dass die Elemente, aus denen sie besteht, zu einer besonders  kleinen Grössenordnung zählen: der Nanoebene. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10-9 m), das ist zu klein nicht nur fürs menschliche Auge, sondern auch für das traditionelle Mikroskop. Erst mit der Entwicklung der Nanotechnologie konnte daher die Nachahmung des Lotosblattes in Angriff genommen werden.

Wassertropfen auf einem Lotosblatt

Wassertropfen auf einem Lotosblatt

Die Natur ist dem Menschen allerdings immer einen Schritt voraus. Eine anhand von Nanotechnologie hergestellte Oberfläche ist nicht ganz so perfekt wie die des Lotosblattes. Sie ist zwar sehr viel pflegeleichter, ganz von alleine reinigt sie sich denn aber doch wieder nicht. Darum sprechen einige Hersteller ehrlicherweise lieber von einer „arbeitserleichternden Oberfläche“, während sich generell jedoch der Begriff „selbstreinigende Oberfläche“ im Marketingbereich durchgesetzt hat.

Nanotechnologie

Die Wörter „Nanotechnologie“ oder „Nanotechnik“ bezeichnen grob gesagt Veränderungen in der Struktur eines Materials, die in einer bestimmten, sehr kleinen Grössenordnung stattfinden, und zwar zwischen 1 und 100 Nanometern. Wie gesagt ist dieser Bereich so klein, dass er selbst mit herkömmlichen Mikroskopen nicht mehr gesehen werden kann. Erst die Erfindung moderner Mikroskope wie des Rastertunnelmikroskopes machte die Erforschung der Nanowelt  möglich.

Rastertunnelmikroskop

Rastertunnelmikroskop

Nun ist es so, dass Veränderungen in dieser Grössenordnung direkten Einfluss auf die Eigenschaften des entsprechenden Materials haben, was insbesondere für Oberflächenstrukturen interessant ist. So kommt Nanotechnologie auf diesem Gebiet denn auch häufig zur Anwendung, etwa in Kühlschränken, die mit Silberpartikeln beschichtet werden, um eine antibakterielle Wirkung zu erzielen. Und eben auch, um die wasserabweisende Wirkung des Lotosblattes nachzuahmen.

In den letzten Jahren hat der Gebrauch von Nanotechnologie eine wissenschaftliche und gesellschaftliche Debatte verursacht, da es sich um eine sehr neue Technologie handelt, deren Langzeitauswirkungen auf Umwelt und Gesundheit naturgemäss noch nicht erforscht werden konnten. Dies ist vor allem eine kritische Frage bei Produkten, die direkt mit unserem Körper in Kontakt kommen, wie etwa Sonnencremes.

Der Lotoseffekt

Wassertropfen auf einer Glasscheibe

Wassertropfen auf einer Glasscheibe

Wasser besitzt von sich aus eine hohe Oberflächenspannung und tendiert daher dazu, seine Oberfläche zu minimieren, d. h., runde Tropfen zu bilden. Tritt es jedoch mit einer Oberfläche in Berührung, kommen sogenannte Adhäsionskräfte ins Spiel, die gegen die Oberflächenspannung des Wassers wirken und dazu führen, dass es die Oberfläche benetzt. Die Stärke dieser Adhäsionskräfte hängt davon ab, wie gross die Kontaktfläche zwischen den Wassertropfen und den Partikeln der Oberflächenstruktur ist. Im Falle des Lotosblattes beträgt diese Kontaktfläche aufgrund der besonderen Anordnung der Oberflächenpartikel nur etwa 0,6 % des Wassertropfens, so dass praktisch keine Adhäsionskräfte zur Wirkung kommen und das Wasser in Tropfen vom Blatt fällt. Hierbei spült es den Schmutz mit ab, da auch dieser eine geringe Haftung am Blatt aufweist, d. h., die Haftung der Schmutzpartikel am Wassertropfen ist grösser als die Haftung am Blatt. Für den Lotos hat dies den grossen Vorteil, dass sich keine Krankheitserreger auf seinen Blättern festsetzen können und dass keine Schmutzpartikel die Fotosynthese stören.

Die Nanobeschichtung

Kommt die Nanostruktur des Lotos vor allem dessen Gesundheit zugute, verhilft uns die Nanostruktur auf dem Glas zu einer grösseren Bequemlichkeit. Glasflächen mit einer Nanobeschichtung müssen sehr viel seltener gereinigt werden als herkömmliches Glas.

In Wirklichkeit werden zwei Schichten auf das Glas angebracht: die eigentliche Schicht mit der wasserabweisenden Nanostruktur und eine Schicht, die als Verbindung zwischen dieser und dem Glas dient. Sie gehen hierbei eine physikalische Verbindung ein. Die Nanobeschichtung auf den Glasscheiben der Firma Teuscher bietet einen hohen Schutz gegen Schmutz- und Kalkrückstände und kann mit der Zeit nach Bedarf erneuert werden.