Dem Lotuseffekt auf der Spur

In Spektrum „neo“ Nr. 3 „Expedition in die Nano-Welt“ geht es unter anderem um den Lotuseffekt: Von Lotusblättern kullern Tropfen einfach ab, anstatt die Pflanze nass zu machen. Aber wie ihr im neo-Experiment nachlesen könnt, ist der echte Lotus nicht das einzige Gewächs, das einen solchen Effekt zu bieten hat! Er ist bei ihm nur besonders stark ausgeprägt.

Echter Lotus ist schwer zu bekommen. Daher fragt ihr euch vielleicht: Wie sieht das eigentlich bei den Konkurrenten aus – wie wasserabweisend sind die Blätter von Kapuzinerkresse oder Frauenmantel? Ihr könnt helfen, ein wenig Licht ins Dunkel zu bringen: Hier zeigen wir euch, wie ihr den „Kontaktwinkel“ bestimmen könnt. Der sagt euch, wie stark der Lotuseffekt bei einer Pflanze ausgeprägt ist. Ein wenig Zeit müsst ihr euch schon nehmen, etwa 1,5 Stunden, und außerdem braucht ihr noch folgende Dinge:

  • eine Digitalkamera, wenn möglich mit Stativ (eine Handykamera geht aber auch)
  • eine kleine Spritze mit Kanüle, wie ihr sie in einer Apotheke bekommt (oder eine einfache Pipette)
  • neue, knitterfreie Alufolie
  • Klebefilm
  • Leitungswasser
  • Sonnenblumenöl
  • eine Schreibtischlampe für die Beleuchtung
  • und natürlich noch die Hauptsache: Viele verschiedene Pflanzenblätter zum untersuchen und vergleichen: Rot- und Weißkohl, Bananenblätter, Kohlrabi, Frauenmantel oder Kapuzinerkresse sind z.B. geeignete Kandidaten

Für die Auswertung braucht man einen Computer und ein Programm, mit dem man Winkel ausmessen kann. Wir empfehlen dazu „ImageJ“. Das ist ein kostenloses Bildverarbeitungsprogramm, dass auch viele echte Wissenschaftler benutzen. Wenn ihr das Betriebssystem Windows auf eurem Computer habt, könnt ihr das Programm unten auf dieser Seite unter Medien direkt herunterladen.

Sobald ihr die Datei „ImageJ-setup“ auf eurem Computer gespeichert habt, müsst ihr diese doppelt anklicken, um das Setup zu starten und das Programm zu installieren. Wenn ihr euch an einer Stelle unsicher fühlt oder etwas nicht klappt, dann fragt ihr am besten jemand, der sich mit Computern gut auskennt! Wenn alles geklappt hat, dann solltet ihr unter euren Programmen die Anwendung mit dem kleinen Mikroskop als Zeichen finden. Mit einem Doppelklick auf das Symbol startet ihr das Programm dann später.

Seid ihr Linux- oder Mac-Nutzer, müsst ihr allerdings ein wenig anders vorgehen: Zunächst die andere unten angegebene Datei speichern. Das ist eine .zip-Datei, in der vieles zusammengepackt ist. Deswegen braucht ihr noch ein anderes Programm, welches das ganze auspackt. Wenn ihr dafür keine Software auf dem Computer habt, könnt ihr die an anderen Stellen auch kostenlos aus dem Internet herunterladen – macht das bitte nur allein, wenn ihr Erfahrung mit Computern und Software habt! Wenn alles entpackt ist, dann solltet ihr auf dem Computer einen Ordner mit dem Namen ImageJ haben und in diesem Ordner findet ihr eine Software, die durch ein kleines Mikroskop symbolisiert wird. Das könnt ihr durch Doppelklick starten. Wenn ihr das Programm auf diese Weise installiert, sollte es auf allen Betriebssystemen laufen.

So macht ihr den Versuch:

  • Nehmt euer Blatt und klebt es so auf eine glatte Oberfläche (zum Beispiel einen Küchentisch), dass es ganz flach liegt. Notfalls müsst ihr aus dem Blatt ein kleines Stück heraus schneiden, mit dem das klappt.
  • Mit der Schreibtischlampe sorgt ihr dafür, dass das Blatt oder der Blattteil gleichmäßig ausgeleuchtet ist.
  • Versucht die Digitalkamera oder das Handy so auszurichten, wie es in der Abbildung unten gezeigt ist. Nutzt am besten ein Stativ für die Kamera oder legt sie irgendwo drauf.
  • Mit der Spritze mit Kanüle oder der Pipette gebt ihr einen möglichst kleinen Flüssigkeitstropfen auf das zu untersuchende Blatt (die Probe). Probiert ruhig ein bisschen herum, mit welcher Tropfengröße es am besten funktioniert.
  • Jetzt fotografiert ihr den Tropfen. Der Tropfen sollte möglichst in der Mitte auf dem Kamerabild zu sehen sein, je größer und schärfer, desto besser!
  • Falls das Bild nicht klar aussieht, verschiebt die Schreibtischlampe und schaut, ob es besser wird. Hier seht ihr ein Beispiel für so eine Aufnahme:

Und so wertet ihr aus:

Überspielt die Fotos als Bilddateien auf euren Computer. Um die Kontaktwinkel auf den Bildern zu vermessen, startet ihr das bereits installierte Programm ImageJ durch Doppelklick auf das Mikroskop-Symbol:

In der Menü-Leiste von ImageJ wählt ihr ganz links “File” und dann “open” – also Datei öffnen. Auf dem Computer wählt ihr dann die Bilddatei, die ihr bearbeiten wollt. Zuerst sollte man mit dem Vergrößerungswerkzeug (Lupe) auf den Tropfen einzoomen (linke Maustaste = einzoomen, rechte Maustaste = auszoomen). Für das Messen des Winkels braucht ihr dann das Winkelmesswerkzeug: Mit diesem könnt ihr in nur drei Klicks den Kontaktwinkel messen:

Der erste Klick erfolgt ungefähr in der Mitte des Tropfens auf Höhe der Probe (1), der Zweite an der Grenze zwischen Probe, Tropfen und Luft (2). Mit dem dritten Klick (3) erzeugt ihr eine Linie, die von Punkt 2 aus der Grenze zwischen dem Tropfen und der Luft folgt. Die einzelnen Punkte könnt ihr auch im Nachhinein noch genauer anpassen. Den gemessenen Winkel könnt ihr in der Statuszeile von ImageJ ablesen, es ist die Zahl hinter dem Wort „angle“ (englisch für „Winkel“, in der Abbildung unten grün markiert). Je größer der Kontaktwinkel, desto wasserabweisender ist die Oberfläche! Bei manchen Tropfen, die wie eine Kugel auf dem Blatt stehen bleiben, sind die Winkel größer als 150 Grad – Wissenschaftler sagen dann, die Oberfläche ist „superhydrophob“, also kaum mit Wasser zu benetzen.

Nachdem ihr euch den Winkel aufgeschrieben habt, schließt ihr das Bild-Fenster (nicht das Programm!) und könnt dann ein nächstes Bild vermessen.

 

Geht es noch professioneller?

An Universitäten stehen Kontaktwinkelmessgeräte für Profis zur Verfügung. So etwas seht ihr auf dem folgenden Foto:

Im Sonderforschungsbereich „Funktion durch Schalten“ an der Universität Kiel erfolgt eine Kontaktwinkelmessung auf ganz ähnliche Weise, wie ihr sie zu Hause am Küchentisch durchführt. Eigentlich sind die Schritte für eine Messung dieselben, aber sie laufen teilweise automatisch ab und die Messergebnisse sind genauer.

 

Wenn ihr Lust habt, könnt ihr euch auch an einer kleinen Aufgabe versuchen: Legt die Oberseite eines Pflanzenblatts (Rotkohl, Kohlrabi, Frauenmantel, Kapuzinerkresse) bereit und beträufelt sie mit Wasser. Messt den Kontaktwinkel. Und jetzt nehmt ihr die glänzende Seite einer knitterfreien Aluminiumfolie. Welche Werte habt ihr gemessen?

Wenn ihr statt mit Wasser mit Sonnenblumenöl beträufelt, dann verändern sich die Werte.

Für diese Versuchsanleitung und die hilfreichen Hinweise bedanken wir uns bei Herrn Dr. Stefan Schwarzer vom Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) der Universität Kiel.

 

Lösungen für die Versuchsreihe Sonnenblumenöl und Wasser

Versuchsreihe Sonnenblumenöl

1) Lege die Oberseite eines Pflanzenblatts (Rotkohl, Kohlrabi, Frauenmantel, Kapuzinerkresse) bereit und beträufel es mit Sonnenöl. Miss den Kontaktwinkel.

Lösung: Der Kontaktwinkel sollte ca. 40° betragen, für Kohlrabi und Frauenmantel um die 25°.

2) Wiederhole den Versuch mit der glänzenden Seite einer knitterfreien Aluminiumfolie.

Lösung: Der Kontaktwinkel beträgt 17°.

Versuchsreihe Wasser

1) Lege die Oberseite eines Pflanzenblatts (Rotkohl, Kohlrabi, Frauenmantel, Kapuzinerkresse) bereit und beträufel es mit Wasser. Miss den Kontaktwinkel.

Lösung: Der Kontaktwinkel sollte > 100° betragen, für den Frauenmantel bzw. Kapuzinerkresse sogar um die 145°.

2) Wiederhole den Versuch mit der glänzenden Seite einer knitterfreien Aluminiumfolie.

Lösung: Der Kontaktwinkel beträgt 50°.

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