Herstellung einer nanoskaligen Oberfläche

Materialien:
Kerze
Objektträger
Wasser
Pipette


Durchführung:

Zuerst haben wir den Objektträger in die Flamme gehalten, sodass sich der Ruß an der Oberfläche der Objektträgers abgesetzt hat. Danach haben wir das Wasser in einzelnen Tropfen mit Hilfe der Pipette auf die berußte Stelle vorsichtig draufgetropft.


Beobachtung:

Die Wassertropfen sind an der berußten Stelle einfach abgeperlt. Bei einem kleinen Riss in der berußten Oberfläche hat sich das Wasser gleich unter die Rußschicht gelegt und es entstand eine Blase unter der Rußschicht. Als wir das Wasser aus einem größeren Abstand auf die Rußschicht getropft haben, ist dass Wasser zwar auch abgeperlt, jedoch hat dass Wasser auch an der Stelle, an der es aufgetropft ist, etwas Ruß 'mitgenommen'.


Erklärung:

Durch den Ruß ist eine nanoskalige Oberfläche auf dem Objektträger entsanden. Diese ist sehr hydrophob.

Neu entwickelte
Aktive Innenraumluftfarbe
StoClimason Color

Prof. Dr. Horst Kirsch hat eine neue Möglichkeit entwickelt, die die Luftqualität in geschlossenen Räumen nachweislich verbessert.
Das Prinzip hat er dabei von der Pflanzen abgeschaut, welche Photosynthese betreiben.
Die neu entwickelte Farbe verbessert mit Hilfe von künstlichen- und Sonnenlicht die Raumluft.
Erklärung:
Wenn Licht auf die Farbe fällt, aktivieren sich dabei Katalysatoren, welche ständig organische Substanzen und Schadstoffe in der Luft abbauen.


1. Schadstoffe in der Luft treffen auf die Farbe in der Tapete.
2. Das Licht aktiviert den Kathalysator und baut die Schadstoffe ab
3. Frische Luft


Zurzeit wird die Farbe meißt dort angewendet, wo sich viele Menschen auf kleinem Raum befinden, wie z.b. in Arztpraxen und Restaurants.


Quelle:
http://www.sto.de/evo/web/sto/32159_DE.pdf

Versuche mit der Anstrichfarbe Sto-Climasan Color der Firma sto

Benötigte Materialien:

• Sto-Climasan Color
• Tapeten-Teststreifen
• Föhn
• Duftende und farbige wässrige Lösung
• Sprühflasche


Durchführung:

Wir haben auf Tapetenstreifen wieder zwei ca. 20cm² große Testfelder markiert. Das eine Feld bestrichen wir mit normaler Dispersionsfarbe, das andere mit sto-Climasan-Color. Zur Trocknung benutzten wir wieder den Föhn. Aus einer mit Tinte gefüllten Sprühflache mit Duft haben wir die Teststreifen aus ca. 10cm Entfernung besprüht. Die Streifen setzen wir für einige Tage dem Sonnenlicht aus.

Beobachtung:

Die mit Sto behandelte Testfläche riecht deutlich schwächer als die mit Dispersionsfarbe behandelte.
Die sto Farbe vergilbt nach und nach, während sich die Dispersionsfarbe nicht verändert.

Erklärung:

Die mit nanoskaligem Produkt (Titandioxid-Pigment) behandelte Oberfläche baut durch chemische Reaktionen organische Verbindungen ab.

Versuche mit der Fassadenfarbe Lotusan der Firma sto

Benötigte Materialien:

• Lotusan
• Dispersionsfarbe
• Holzstücke
• Föhn

Durchführung:

Auf dem Holzstück markieren wir zwei Felder von ca. 20 cm². Das eine Feld bestreichen wir mit Lotusan und das andere mit normaler Dispersionsfarbe. Mit dem Föhn sorgen wir für schnelles Trocknen. Nach mehreren Tagen Bewitterung benetzten wir die beiden Felder mit Wasser.

Beobachtung:

Das Wasser perlt von mit Lotusan behandeltem Holz in großem Tropfen ab (hydrophob). Bei dem Feld, das mit normaler Dispersionsfarbe behandelt wurde, wurde der Tropfen aufgesaugt (hydrophil).

Erklärung:

Siehe Erklärung unter dem Versuch 1.4. für Lotusan. Siehe bei Dispersionsfarbe Versuch 1.1.

Eigenschaften von Lotusan:

Der Schmutz perlt mit dem Regen ab. Die Fassaden bleiben länger sauber. Außerdem werden Algen- bzw. Pilzbefall gehemmt. Lotusan hat eine mikrostrukturierte Oberfläche. Die Kontaktfläche für Schmutzpartikel und Wasser ist dadurch sark reduziert. Auch ist die Oberfläche zusätzlich sehr hydrophob. Die Regentropfen perlen sofort ab und reißen die nur lose anhaftenden Schmutzpartikel problemlos mit.

Im Internet gibt es mehrere Erfahrungsberichte mit unterschiedlichen Bewertungen von Lotusan.

Versuch 1.4.

Nachahmung des Lotus- Effekts auf Oberflächen von Holz und Stein mit einer hydrophoben Beschichtung.

Benötigte Materialien:

• Holzstücke, Steine
• Pipetten und unterschiedliche Flüssigkeiten
• Nano-Tool 2 der NanoToolbox

Durchführung:

Auf Holz oder Stein markieren wir ein sauberes und trockenes Feld mit einem Stift. Auf dieses Felder sprühen wir das Nano-Tool 2. In der nächsten Unterrichtsstunde testen wir die inzwischen getrockneten Oberflächen mit normalem Wasser.

Beobachtung:

Die behandelten Oberflächen zeigen deutlich einen Abperleffekt mit starker Tropfenbildung.

Erklärung:

Bei diesem Versuch (Beschichtung von Holz und Stein) wird der Lotuseffekt nachgeahmt. Es wird auch vom Easy-to-Clean-Effekt gesprochen. Mit dem Auftragen des Nano2Tools werden abriebfeste Nanopartikel aufgebracht und dadurch eine stark hydrophobe Schicht erzeugt. Die Oberflächenspannung (Kohäsion) ist nun größer als die Adhäsion zwischen Wasser und der beschichteten Oberfläche. Der Kontaktwinkel zwischen Oberfläche und Wasser ist nun größer als 90°. Angewendet wird dieser Effekt bei der Beschichtung von Fassaden, Dächern und Mauerwerken. Diese Nachahmung des Lotus-Effekts ist aber nicht selbstreinigend.

Versuch 1.3.

Lotus Effekt - Wie funktioniert die Selbstreinigung von Blättern?

Benötigte Materialien:

• Salat- und Kohlrabiblätter
• Gartenlehm (fein zerrieben)
• Ruß
• 1 Bunsen- oder Spirituosenbrenner
• 1 Becherglas mit Wasser

Durchführung:

Auf einem Kohlrabiblatt haben wir etwas Gartenlehm gestreut. Anschließend gaben wir mit der Pipette einen Wassertropfen auf die verschmutzte Schicht und neigten das Blatt, damit der Tropfen ablaufen konnte.

Beobachtung:

Das Abtropfen vom Kohlrabiblatt hinterlässt eine saubere Spur, während beim Abtropfen vom Salatblatt eine leichte Verschmutzung zurückbleibt. Wir können auch erkennen, dass die Lehmpartikel in den Wassertropfen aufgenommen wurden.

Erklärung:

Siehe Versuch 1.2.

Versuch 1.2.

Lotus-Effekt – Wasser auf hydrophoben Oberflächen


Benötigte Materialien:

• 1 Wachspapier
• 1 Kohlrabiblatt
• 1 Becherglas mit Wasser
• 1 Pasteurpipette

Durchführung:

Mit der Pipette haben wir einen Wassertropfen auf das Wachspapier gegeben und beobachteten den Tropfen beim Neigen des Papiers. Gleiches machten wir mit einem Salat- und einem Kohlrabiblatt. Die Tropfen haben wir jeweils mit dem Stereomikroskop betrachtet. Anschließend haben wir kurz die Blätter in ein mit Wasser gefülltes Becherglas getaucht. Daraufhin zerreiben wir die Pflanzenblätter zwischen den Fingern und wiederholen den Versuch.

Beobachtung:

Beim Wachspapier sowie beim Kohlrabiblatt läuft der stark kugelförmige Wassertropfen extrem gut ab (ohne Rückstand). Mit dem Mikroskop haben wir auf dem Wachspapier und dem Kohlrabiblatt unter dem Wassertropfen eine silbrig glänzende Schicht erkannt. Das ist der so genannte Spiegeleffekt.
Sehr gut können wir die silbrige Schicht auch beobachten, wenn wir das Kohlrabiblatt in die Wasserschale tauchen. Allerdings verschwindet die Schicht an den Stellen, die zwischen den Fingern gerieben wurden. Auch läuft das Wasser nach dem Herausholen des Kohlrabiblatts aus dem Becherglas ohne Rückstand ab.

Erklärung:

Die Beschichtung des Wachspapiers und die oberste Schicht der Kohlrabiblätter sind superhydrophob (extrem wasserabweisend).
Die Oberfläche des Kohlrabiblatts ist aus hügeligen Mikrostrukturen, die mit Wachs -Nanokristallen besetzt sind.
Diese Kristalle sind aus demselben Stoff wie die Beschichtung des Wachspapiers.
Außerdem wird die Form des Wassertropfens von seiner eigenen Oberflächenspannung (Kohäsion) bestimmt. Der Spiegeleffekt beim Eintauchen ins Wasser ist nichts anderes als eine Totalreflexion des Lichts an der Grenzoberfläche zwischen Luft und Wasser.
Durch die Reibung wird die Oberfläche des Kohlrabiblatts so beschädigt, dass ihre superhydrophoben Eigenschaften verloren gehen.

Versuch 1.1

Wasser auf Hydrophilen Oberflächen


Benötigte Materialien:

• Kaffeefilter (weiß) oder Filtrierpapier
• Schreibmaschinenpapier
• Hochglanzpapier
• Pipetten
• Lineal oder Geodreieck
• Schreibtischlampe
• 1 Becherglas mit Wasser

Durchführung:

Wir haben uns die unterschiedlichen Papiertypen bei 40-facher und 100-facher Vergrößerung unter dem Schülermikroskop angeschaut. Dabei war es wichtig, auf das Auflicht zu achten.
Dann gaben wir mit der Pipette jeweils einen möglichst gleichgroßen Tropfen auf die verschiedenen Papiertypen. Anschließend maßen wir mit dem Lineal den Durchmesser der entstandenen Wassertropfen bzw. – flecken.

Beobachtung:

- Glattes Papier erscheint unter dem Mikroskop weniger porös als raues Papier.
- Bei glattem Papier ist der Durchmesser des Wassertropfens und die Wölbung größer.
- Der Kaffeefilter hat den Tropfen vollständig aufgesogen.
- Auf dem Hochglanzpapier war der Tropfendurchmesser sehr klein.

Erklärung:

Trifft ein Wassertropfen auf die Oberfläche auf, entstehen Adhäsionskräfte. Ein raues Papier hat eine größere Oberfläche als glattes Papier. Eine größere Oberfläche bewirkt eine größere Adhäsionskraft - dadurch breitet sich der Wassertropfen besser aus. Also handelt es sich hier um einen hydrophilen Stoff.

Um zu wissen, ob eine Oberfläche hydrophob oder hydrophil ist, benötigt man den Kontaktwinkel des Wassertropfens zu der Oberfläche.

Wichtige Begriffserklärungen

Im Unterrichtsfach NWT Chemie haben wir uns mit dem Verhalten von Wasser und verschiedenen Anstrichfarben auf unterschiedlichen Oberflächen beschäftigt. Dabei tauchten verschiedene Begriffe auf, die wir zunächst erklären wollen.

- Hydrophil: das Wort ist aus zwei griechischen Wortstämmen zusammengesetzt. Ein mal hydros für Wasser und philos für Freund. Mit hydrophil ist also eine wasserfreundliche Oberfläche gemeint.

- Hydrophob: Auch dieses Wort stammt wieder aus zwei griechischen Wortstämmen, nämlich hydros für Wasser und phobos für Angst. Mit hydrophob ist also eine wasserabweisende Oberfläche gemeint.

- Lotus-Effekt: Mit dem Lotus- Effekt wird beschrieben, dass diese Pflanze ihre Oberfläche „selbst reinigt“ und Fremdstoffe nicht an sich „kleben“ lässt. Die Erklärung dafür ist, dass die Oberfläche der Lotus- Pflanze aus vielen kleinen Noppen besteht. Diese sind mit einer dünnen Wachsschicht bedeckt, die aus vielen winzigen Wachskristallen besteht. Sie sorgen dafür, dass ein Wassertropfen nicht das komplette Blatt berührt, sondern nur die wasserabweisenden Spitzen. Bei Regen nimmt ein Wassertropfen die Schmutzpartikel auf und rollt mit diesen vom Blatt, ohne dass es dabei nass wird.

- Nanoskalig: bedeutet sehr kleinteilige Partikel, die die Bausteine der Nanotechnologie sind.