BIONIK-INNOVATIONS-CENTRUM (B-I-C)

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(B-I-C)

Funktionsoberflächen

Funktions-oberflächen

Biologische Ober- und Grenzflächen zeichnen sich häufig durch Multifunktionalität aus. Oftmals werden unterschiedliche, teils widersprüchliche Eigenschaften und Funktionen an diesen Schnittstellen zwischen innen und außen realisiert.

Zu den Vorgängen und Eigenschaften an den Grenzflächen eines Organismus zählen Selbstreinigung, Reduktion oder Maximierung des Reibungswiderstandes, Minimierung des Brechungsindexes, Verdunstungsschutz, Stoff- und Gasaustausch, Thermoregulation und Isolation, Kommunikation, Pathogenenabwehr, UV-Resistenz, Adhäsion wie Adhäsionsvermeidung – ein mehr als breites Inspirationsfeld mit hohem Anwendungspotenzial.

 

Stefanie Wuttke (Absolventin des ISB und Bionik-Masters sowie mehrere Jahre als Projektmitarbeiterin am B-I-C), erklärt, wieso Haifischhaut das perfekte Mittel gegen lästige Seepocken ist und wie Schiffe von diesem Effekt profitieren können. 

Der Bedarf an nachhaltigen, giftstofffreien Methoden des Antifoulings in marinen Umgebungen als technische Problem (Top-Down) und die Haihaut als Beispiel für eine vielseitige Funktionsoberfläche (Bottom-Up) illustrieren typische Prinzipien und Herangehensweisen in der Bionik.

GREEN UP YOUR FUTURE ist ein Ausstellungsprojekt von BIOKON e.V. und Green Economy Academy e.V. zu Jobs mit „Greening“-Potenzial..

# Kompetenzen

Großes Forschungsthema war die Untersuchung und Potentialabschätzung von biologischen Vorbildern für das Bio-Inspirierte Antifouling (siehe auch Video) und dessen Umsetzung in dem Projekt Haihaut 2.0. Auch das klebstofffreie Haftsystem der Spinne und von marinen Makroalgen wurde untersucht. 

Bewuchs an Oberflächen (Abbildung eines Schiffrumpfes) stellen in der Schifffahrt aber auch bei Bojen ein enormes Problem dar, da sie den Widerstand bei Bewegung erhöhen und zu seinem zusätzlichen Gewicht beitragen. Schiffe und Bojen werden daher mit einer -meist nicht besonders umweltverträglichen- Beschichtung versehen und müssen zusätzlich regelmäßig eingeholt und gereinigt werden. Die Haihaut (REM-Aufnahme) hat dieses Problem dank ihrer Strukturierung nicht (Fotos: B-I-C).  

Springspinnen jagen ihre Beute aktiv. Wie Geckos bilden sie mit dem Substrat in Kontakt tretenden Fußanteilen ultrafeine, flexible Härchen aus (REM-Aufnahme). Sie bilden so das Relief der Kontaktfläche nach. Durch die geringen Abstände zwischen den beiden Kontaktflächen werden die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte (molekulare Wechselwirkungen) wirksam. Unter Idealbedingungen sind diese Kräfte so groß, dass sie das 170-fache der Gewichtskraft der Spinne ergeben. Der Adhäsionsmechanismus ermöglicht außerdem das rückstandfreie Trennen der Kontaktflächen (Fotos: B-I-C).  

Bewuchs an Oberflächen (Abbildung eines Schiffrumpfes) stellen in der Schifffahrt aber auch bei Bojen ein enormes Problem dar, da sie den Widerstand bei Bewegung erhöhen und zu seinem zusätzlichen Gewicht beitragen. Schiffe und Bojen werden daher mit einer -meist nicht besonders umweltverträglichen- Beschichtung versehen und müssen zusätzlich regelmäßig eingeholt und gereinigt werden. Die Haihaut (REM-Aufnahme) hat dieses Problem dank ihrer Strukturierung nicht (Fotos: B-I-C).  

Springspinnen jagen ihre Beute aktiv. Wie Geckos bilden sie mit dem Substrat in Kontakt tretenden Fußanteilen ultrafeine, flexible Härchen aus (REM-Aufnahme). Sie bilden so das Relief der Kontaktfläche nach. Durch die geringen Abstände zwischen den beiden Kontaktflächen werden die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte (molekulare Wechselwirkungen) wirksam. Unter Idealbedingungen sind diese Kräfte so groß, dass sie das 170-fache der Gewichtskraft der Spinne ergeben. Der Adhäsionsmechanismus ermöglicht außerdem das rückstandfreie Trennen der Kontaktflächen (Fotos: B-I-C).  

# Aktuelle Projekte

Forschungsgegenstand aktuell ist die Salvinia-Pflanze, die an ihrer Oberfläche Luft halten und somit die Reibung zum Umgebungsmedium Wasser reduzieren kann und nach deren Vorbild Luft-haltende Oberflächen entwickelt werden. In dem EU-Projekt AIRcoat wurde bis April 2022 erprobt, in wie fern diese sich zur Reibungsreduktion an Schiffrümpfen einsetzen lassen. 

Digitalmikroskop-Aufnahme eines Wassertropfens auf einem Salvinia-Blatt. Auf dem Blatt sind Schneebesen-artige Ausstülpungen, auf denen der Tropfen aufliegt (Foto: B-I-C).

In dem auf diesen Erkenntnissen aufbauenden BMBF-Projekt AIRtube, wird untersucht inwieweit auch die strömungsmechanischen Eigenschaften von Innenoberflächen von Rohren und Schläuchen optimiert werden können.

Erster Ansatz eines Messtand-Prototyps zur Überprüfung von Strömungseffekten in Rohren für das Projekt AIRtube (Foto: B-I-C). 

Forschungsgegenstand aktuell ist die Salvinia-Pflanze, die an ihrer Oberfläche Luft halten und somit die Reibung zum Umgebungsmedium Wasser reduzieren kann und nach deren Vorbild Luft-haltende Oberflächen entwickelt werden. In dem EU-Projekt AIRcoat wurde bis April 2022 erprobt, in wie fern diese sich zur Reibungsreduktion an Schiffrümpfen einsetzen lassen. In dem auf diesen Erkenntnissen aufbauenden BMBF-Projekt AIRtube, wird untersucht inwieweit auch die strömungsmechanischen Eigenschaften von Innenoberflächen von Rohren und Schläuchen optimiert werden können.

Digitalmikroskop-Aufnahme eines Wassertropfens auf einem Salvinia-Blatt. Auf dem Blatt sind Schneebesen-artige Ausstülpungen, auf denen der Tropfen aufliegt (Foto: B-I-C).

 

Erster Ansatz eines Messtand-Prototyps zur Überprüfung von Strömungseffekten in Rohren für das Projekt AIRtube (Foto: B-I-C).