A23 Auswirkungen von Feuchtigkeit und Temperatur

Thema

Die Haftung der klebrigen Borsten des Insekts hängt nicht nur von der Oberfläche ab, auf der es läuft, sondern wird auch stark von zwei Umweltbedingungen beeinflusst: Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Beide Bedingungen wirken auf unterschiedliche Weise auf die klebrigen Borsten ein, verändern aber letztendlich die Haftung, die das Insekt zum Festhalten benötigt.

Bei hoher Luftfeuchtigkeit bilden sich an den Kontaktpunkten zwischen der klebrigen Borste und der Oberfläche kleine Kapillarmenisken. Diese Menisken erzeugen eine Kapillarkraft, die bei hoher Luftfeuchtigkeit die Van-der-Waals-Kräfte, die normalerweise die Haftung aufrechterhalten, übertreffen kann. Dasselbe Wasser kann jedoch der Haftung entgegenwirken, wenn die Oberfläche hydrophob ist und der Benetzungswinkel zu groß ist: In diesem Fall verhindert das Wasser den für die Haftung notwendigen engen Kontakt der Borste, anstatt ihn zu verstärken.

Neben diesem Zusammenspiel der Kräfte beeinflusst die relative Luftfeuchtigkeit die Haftenergie des Pilzes zusätzlich: Je höher die relative Luftfeuchtigkeit, desto größer die Haftenergie, da Wasser die Umlagerung der Moleküle an der Grenzfläche zwischen Pilz und Oberfläche erleichtert. Diese Umlagerung vergrößert die tatsächliche Kontaktfläche.

Die Temperatur hingegen beeinflusst die Pilzhaftung auf einem völlig anderen Weg als die Luftfeuchtigkeit: Sie moduliert die Steifigkeit des Epikutikularwachses, das den Pilz umhüllt. Unterhalb seines Schmelzpunktes bleibt dieses Wachs fest und starr, wodurch die Haftung des Pilzes gering bleibt. Nähert sich die Temperatur dem Schmelzpunkt des Wachses, erweicht es. Diese Erweichung ermöglicht es dem Pilz, sich besser an die Oberfläche anzupassen, was die Haftung erhöht. Übersteigt die Temperatur jedoch den Schmelzpunkt, schmilzt das Wachs vollständig, und das gesamte Haftsystem des Pilzes bricht zusammen.

Manche Insekten sondern über ihre Haftborsten eine ölige Flüssigkeit ab, um den Kontakt mit der Oberfläche zu verbessern. Die Viskosität dieser Flüssigkeit hängt von derselben Temperatur ab wie der Zustand des Epikutikularwachses und folgt der Arrhenius-Gleichung. Diese Viskosität wiederum bestimmt die Stefan-Kraft: den Widerstand, den der dünne Film der viskosen Flüssigkeit der Trennung zweier durch ihn verbundener Oberflächen entgegensetzt. Dieser Widerstand steigt mit dem Kontaktradius zwischen den Borsten und der Oberfläche sehr schnell an – und zwar mit der vierten Potenz dieses Radius –, sodass bereits eine geringe Vergrößerung der Kontaktfläche einen deutlich größeren Trennwiderstand zur Folge hat.

Letztendlich ist die Haftung der Insektenborsten von zwei parallel wirkenden Umweltfaktoren abhängig: der Luftfeuchtigkeit, die die Haftung durch Kapillarwirkung und molekulare Umlagerung verstärken oder durch Überfeuchtung hydrophober Oberflächen schwächen kann, und der Temperatur, die die Haftung zunächst durch Erweichen des Epikutikularwachses und Erhöhung der Viskosität der abgesonderten Flüssigkeit verbessert, das Haftsystem aber letztendlich vollständig zum Erliegen bringt, wenn sie den Schmelzpunkt des Wachses überschreitet. Nur in einem mittleren Bereich von Luftfeuchtigkeit und Temperatur können die Haftborsten des Insekts die für die Fortbewegung und das Festhalten an Oberflächen notwendige Haftung aufrechterhalten.

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