Wie Zikadenflügel Tautropfen abperlen lassen

Paris (Frankreich) - Viele Kunststoffe und Silikongummis sind stark wasserabweisend und lassen Regentropfen einfach abperlen. Doch winzige Tautröpfchen können auf diesen Materialien dennoch haften bleiben. Eine effektive Strategie gegen ein solches Benetzen entdeckten nun französische und amerikanische Wissenschaftler. Sie analysierten die Nanostrukturen auf der Oberfläche von Zikadenflügeln, die selbst bei dichtem Nebel völlig trocken bleiben. In der Fachzeitschrift „Nature Materials“ präsentieren sie die Ursachen für die extrem guten hydrophoben Eigenschaften und die erfolgreiche Synthese einer bionischen Oberfläche nach Vorbild der Insektenflügel.

„Vor allem hydrohobe Nanokegel sind dafür verantwortlich, dass keine Tröpfchen auf der Oberfläche haften bleiben“, sagt David Quéré von der École Superiéure de Physiques et de Chemie Industrielles ESPCI in Paris. Genau solche Nanokegel entdeckte der Bioniker auf den Flügeln von Zikaden der Art Psaltoda claripennis unter einem Atomkraftmikroskop. Auf den transparenten Flügeln ballten sich Tausende Nanokegel, die an der Basis etwa 200, an der Spitze aber nur wenige Nanometer breit waren. Für die Zikaden ist dieser Schutz vor einer Benetzung überlebenswichtig, um auch bei Nebel oder hoher Luftfeuchte trockene Flügel zu behalten.

In weiteren Versuchen bauten Quéré und Kollegen die filigranen Nanostrukturen mit lithografischen Verfahren nach. Dabei ordneten sie auf einer Oberfläche sowohl winzige Nanokegel als auch Nanozylinder von bis zu 115 Nanometer Höhe an. Diese Nanostrukturen beschichteten sie danach mit einer stark wasserabweisenden Silan-Verbindung. In einer Klimakammer setzten die Forscher ihre Oberflächen einer Atmosphäre mit hoher Luftfeuchtigkeit aus. Waren die Flächen dabei kühler als die Umgebung, konnten winzige Tröpfchen auf den Oberflächen kondensieren.

Auf einer Oberfläche mit Nanozylindern blieben die winzigen Wassertröpfchen schon deutlich schlechter haften als auf einer glatten Fläche aus dem hydrophoben Material. Doch am besten rannen die Tröpfchen auf der Nanokegel-Fläche ab. Für diesen Effekt machten die Wissenschaftler die konische Struktur der Kegel verantwortlich, da sie das Zusammenballen kleiner Tröpfchen zu größeren, abrinnenden Tropfen unterstützte. Diese Studie liefert nun die Grundlage für neue nanostrukturierte Materialien, auf denen selbst bei dichtem Nebel keine Tröpfchen dauerhaft haften bleiben. Allerdings fehlt bisher eine Fertigungsmethode, um solche nanostrukturierten Oberflächen günstig und im großen Maßstab herzustellen.