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Swiss Nano-Cube/Die InnovationsgesellschaftLerchenfeldstrasse 5, 9014 St. GallenTel. +41 (0) 71 278 02 04, info@swissnanocube.chwww.swissnanocube.ch
Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere
Fachschulen
Der Lotus-Effekt®
3. September 2014
© 2014 - Swiss Nano-Cube/Die Innovationsgesellschaft St. Gallen
Selbstreinigende Oberflächen: Der Natur abgeschaut
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Quelle: Swiss Nano-Cube
Nanostrukturierte Oberflächen mit selbstreinigenden Eigenschaften
Detaillierte Informationen zum Thema sind in der Versuchsanleitung Lotuseffekt zu finden.
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Inhalt
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Einführung Theoretische Grundlagen Intermolekulare Bindungen
Oberflächenspannung
Hydrophobie und hydrophober Effekt
Das Lotusblatt (I): Oberflächenstruktur
Das Lotusblatt (II): Kontaktwinkel
Der Künstliche Lotus-Effekt®
Lernziele
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Einführung
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Video: Lotusan: Technische Verwendung des Lotuseffekt
www.sto.de
Video Lotusan
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Theoretische Grundlagen
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Intermolekulare Bindungen
Bindungen zwischen Molekülen (nicht kovalent!).
Verantwortlich für die Ordnung in Feststoffen und Flüssigkeiten.
In Gasen existieren keine intermolekularen Bindungen.
Unterteilung nach Bindungsstärke: Inoenbindungen (stark).
Van der Waals Bindungen (schwach).
Weitere Unterteilung der Van der Waals Bindungen: Dipol-Dipol Bindungen (stärker, z.B. bei Wassermolekülen).
Londonsche Dispersionskräfte (schwächer, z.B. Ölen).
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Theoretische Grundlagen
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Oberflächenspannung
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Theoretische Grundlagen
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Hydrophobie und hydrophober Effekt
Hydrophob: Griechisch für wasserabweisend.
In der Chemie: Hydrophob steht für schwach Wasser bindend (z.B. Öle, Fette, Wachse).
Hydrophober Effekt: Entsteht, wenn sich hydrophobe Moleküle in Wasser befinden.
Dipol-Dipol Bindungen zwischen Wassermolekülen sind gegenüber den schwachen Londonschen Dispersionskräften bevorzugt.
Wassermoleküle versuchen, möglichst viele Dipol-Dipol Bindungen untereinander einzugehen.
Verringerung der Bindungsoberfläche zu den hydrophoben Molekülen, mit denen die Wassermoleküle nur schwache Bindungen eingehen können.
Bildung von „Öltropfen“ im Wasser.
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Theoretische Grundlagen
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Das Lotusblatt (I): Oberflächenstruktur
Quelle: Swiss Nano-Cube
Superhydrophob: Hydrophobie + Geringe Kontaktfläche
Sehr geringe Haftung an der Oberfläche
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Theoretische Grundlagen
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Das Lotusblatt (II): Kontaktwinkel
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Theoretische Grundlagen
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Der Künstliche Lotus-Effekt® (I)
Der Lotus-Effekt® bezeichnet die selbstreinigende Eigenschaft einer Oberfläche.
Selbstreinigend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Oberfläche durch Wasser ohne den Einsatz weiterer Substanzen gereinigt werden kann.
Der Effekt ist nicht auf die Lotuspflanze beschränkt und kann auch künstlich erzeugt werden.
Dabei werden die zu behandelnden Oberflächen künstlich rau gemacht, so dass ihre äusserste Schicht, ähnlich wie die Blätter der Lotuspflanze, eine im Nanometerbereich „hüglige“ Struktur aufweist.
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Theoretische Grundlagen
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Der Künstliche Lotus-Effekt® (II)
Ein Verfahren zur künstlichen Herstellung superhydrophober Oberfläche ist das Sol-Gel-Verfahren.
Ausgangsmaterial: Siliziumdioxid-Nanopartikel mit hydrophoben Seitenketten in stabiler Dispersion.
Durch allmählichen Entzug des Dispersionsmittels bildet sich ein Gel, welches auf Oberflächen aufgetragen werden kann.
Nachdem der Rest des Lösungsmittels verdunstet ist, bleibt eine raue, hydrophobe Oberflächenbeschichtung zurück
Quelle: Swiss Nano-Cube
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Lernziele
Den Hydrophoben Effekt verstehen und erklären können, warum hydrophob nicht gleich wasserabweisend ist.
Verstehen, was die besonderen Eigenschaften der Lotuspflanze sind.
Das Sol-Gel-Verfahren beschreiben können. Erklären können, was superhydrophob bedeutet.
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