A21 Kontamination von Klebeflächen

Thema

Die klebrigen Borsten des Insekts sind winzige Strukturen, die es ihm ermöglichen, an Oberflächen zu haften. Ihre Wirksamkeit hängt vollständig davon ab, dass ihre Spitzen in direktem Kontakt mit der Oberfläche stehen. Werden diese Borsten mit Staub, Ölen, Sporen oder anderen Umweltschadstoffen verunreinigt, wird dieser Kontakt unterbrochen und die Haftkraft der Borsten drastisch reduziert. Das Ausmaß der Verstopfung der klebrigen Borsten durch den Schadstoff ist kein Alles-oder-Nichts-Phänomen, sondern hängt von zwei Faktoren gleichzeitig ab: der Konzentration des Schadstoffs in der Umgebung und seiner Affinität zur Borstenoberfläche. Höhere Konzentrationen und eine stärkere Affinität führen zu einem größeren Anteil verstopfter Borsten, wobei sich dieser Anteil tendenziell stabilisiert, sobald die für den Schadstoff verfügbare Oberfläche gesättigt ist.

Wenn der Schadstoff, der klebrige Pilze bedeckt, eine Flüssigkeit ist – wie Öl oder verunreinigtes Wasser –, tritt ein zusätzlicher Effekt auf: Zwischen dem Pilz und der Oberfläche entstehen Kapillarkräfte. Diese Kapillarkräfte können die Haftung erhöhen oder verringern, je nachdem, wie gut die Flüssigkeit den Pilz benetzt. Beträgt der Winkel, in dem die Flüssigkeit auf den Pilz trifft, weniger als 90 Grad, füllt die Flüssigkeit den Raum zwischen Pilz und Substrat. Dies erhöht zwar die Kapillarkraft, verringert aber gleichzeitig den direkten Kontakt zwischen Pilz und Oberfläche, von dem die Haftung durch Van-der-Waals-Kräfte abhängt.

Dieser zweifache Einfluss der Flüssigkeit führt zu einem paradoxen Ergebnis: Eine geringe Flüssigkeitsmenge kann die Haftung der Pilze dank eben dieser Kapillarkraft vorübergehend erhöhen. Bei übermäßiger Flüssigkeitsansammlung kapselt sie die klebrigen Pilze jedoch vollständig ein. Diese Einkapselung verhindert jeglichen direkten Kontakt zwischen Pilz und Oberfläche und hebt die Haftung somit auf, anstatt sie zu verstärken.

Angesichts dieser Verschmutzung verfügen einige Insekten über einen eigenen Schutz: Ihre Beine sind mit superhydrophoben Strukturen bedeckt, derselben Mikrostruktur, die den Lotuseffekt auf bestimmten Blättern hervorruft. Diese Strukturen ermöglichen es dem Insekt, sich beim Laufen selbst zu reinigen. Schadstoffpartikel haften an den Spitzen dieser Mikrostrukturen anstatt an den Haftborsten selbst und lösen sich ab, sobald das Bein während der Bewegung eine neue Oberfläche berührt. Die Reinigungsrate ist dabei direkt proportional zur Laufgeschwindigkeit des Insekts.

Je schneller das Insekt läuft, desto schneller werden seine superhydrophoben Strukturen von angesammelten Partikeln befreit. Diese fortschreitende Reinigung ermöglicht es den Haftborsten, Schritt für Schritt die durch die Verschmutzung verlorene Kontaktfläche zurückzugewinnen und so ihre ursprüngliche Haftung wiederherzustellen.

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