Nanopelz gegen die Ölpest
Haarige Pflanzenblätter sind stark ölaufnehmend.
Einige Schwimmfarne können in kurzer Zeit große Mengen Öl aufnehmen, denn ihre Blätter sind zugleich stark wasserabstoßend und in hohem Maße ölabsorbierend. Eine Forschergruppe des KIT hat gemeinsam mit Kollegen der Universität Bonn herausgefunden, dass die Wasserpflanze die ölbindende Eigenschaft der haarähnlichen Mikrostruktur ihrer Blattoberfläche verdankt. Sie dient nun als Vorbild, um das Material Nanofur weiterzuentwickeln, das Ölverschmutzungen umweltfreundlich beseitigen soll.
Beschädigte Pipelines, Tankerhavarien und Unfälle auf Förderplattformen können Wasserflächen mit Roh- oder Mineralöl verschmutzen. Herkömmliche Verfahren zum Entfernen der Ölpest haben spezifische Nachteile: Das Verbrennen von Öl sowie der Einsatz chemischer Mittel, die seine Zersetzung beschleunigen, belasten ihrerseits die Umwelt. Viele natürliche Materialien zum Aufsaugen des Öls – wie Sägemehl oder Pflanzenfasern – sind wenig effektiv, weil sie zugleich große Mengen Wasser aufsaugen. Auf der Suche nach einer umweltfreundlichen Möglichkeit, Ölteppiche zu entfernen, haben die Forscher verschiedene Schwimmfarn-Arten verglichen. „Dass die Blätter dieser Pflanzen wasserabstoßend sind, war bereits bekannt, wir haben erstmals ihre Eigenschaft Öl zu absorbieren untersucht“, sagt Claudia Zeiger, die die Studie am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT durchgeführt hat.
Die aus tropischen und subtropischen Regionen stammenden Schwimmfarne sind mittlerweile auch in Teilen Europas heimisch. Da sie sich stark vermehren, gelten sie mancherorts als lästiges Unkraut. Sie haben jedoch großes Potenzial als kostengünstige, schnelle und umweltfreundliche Ölabsorber, was eindrucksvoll in einer kurzen Videosequenz zu sehen ist (siehe unten). „Die Pflanzen könnten zum Beispiel in Seen eingesetzt werden, um dort unbeabsichtigt eingetretenes Öl zu absorbieren“, so Zeiger. Bereits nach weniger als 30 Sekunden haben die Blätter die maximale Absorption erreicht und können zusammen mit dem aufgenommenen Öl abgeschöpft werden.
Die Wasserpflanze mit dem biologischen Namen Salvinia besitzt an der Blattoberfläche Trichome – haarähnliche, zwischen 0,3 und 2,5 Millimeter lange Ausläufer. Beim Vergleich unterschiedlicher Salvinia-Arten zeigte sich, dass nicht etwa die Blätter mit den längsten Haaren besonders viel Öl absorbierten. „Ausschlaggebend für die Öl-Aufnahmefähigkeit ist die Form der Haarenden“, betont Zeiger. Das meiste Öl absorbieren die Blätter der Schwimmfarn-Art Salvinia molesta, deren Haarenden in der Form eines Schneebesens miteinander verbunden sind.
Das neue Wissen über den Zusammenhang der Oberflächenstruktur der Blätter und ihre Öl-Absorptionsfähigkeit nutzen die Forscher nun, um das an ihrem Institut entwickelte Material Nanofur zu verbessern. Dieser Nanopelz aus Kunststoff ahmt den wasserabstoßenden und ölanziehenden Effekt von Salvinia nach, um Öl und Wasser zu trennen. „Wir untersuchen in der Natur vorkommende Nano- und Mikrostrukturen, um sie für technische Entwicklungen zu übernehmen“, sagt Privatdozent Hendrik Hölscher, Leiter der Arbeitsgruppe Biomimetische Oberflächen am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT. Bei gleichem Material seien es häufig Unterschiede innerhalb dieser feinsten Strukturen, die zum Beispiel Pflanzen mit bestimmten Eigenschaften ausstatten.
Als Erstautorin stellt Claudia Zeiger die Untersuchungsergebnisse unter dem Titel „Microstructures of superhydrophobic plant leaves – inspiration for efficient oil spill cleanup materials“ im Fachmagazin Bioinspiration & Biomimetics vor. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des vom Bionik-Pionier Wilhelm Barthlott gegründeten Nees-Instituts für Biodiversität der Pflanzen an der Universität Bonn. Die Forschung wurde gefördert durch ein Promotionsstipendium der Carl-Zeiss-Stiftung, durch das brasilianische Forschungs- und Austauschprogramm Ciências sem Fronteiras sowie durch die Hochtechnologieplattform Karlsruhe Nano-Micro-Facility (KNMF) am KIT.
Quelle
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft | 2016
