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Bionik Wie Nanostrukturen nach Gecko-Vorbild die Verdunstung minimieren

Quelle: CAU Kiel 2 min Lesedauer

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Christian-Albrechts- Universität zu Kiel
Lenord, Bauer & Co. GmbH
GGB Heilbronn GmbH

Die gezielte Strukturierung von Oberflächen ist in der Konstruktion ein wichtiges Feld. Forscher der CAU Kiel haben nun per Strömungssimulation eine weitere Eigenschaft von Gecko-Haut entschlüsselt: Spezielle Nanostrukturen erzeugen eine mikroskopische Grenzschicht, die Flüssigkeitsverlust drastisch hemmt. Ein Prinzip mit Potenzial für die Technik.

Winzige Härchen könnten Geckos vor dem Austrocknen schützen.(Bild: © Filippov et al.)
Winzige Härchen könnten Geckos vor dem Austrocknen schützen.
(Bild: © Filippov et al.)

Die Natur dient Ingenieuren oft als Vorbild – sei es der schmutzabweisende Lotuseffekt oder die strömungsoptimierte Haifischhaut. Geckos und Chamäleons verfügen ebenfalls über eine besondere Oberflächeneigenschaft: Ihre Haut ist mit winzigen, nanometergroßen Härchen bedeckt, den sogenannten Setulae. Bislang war deren exakte Funktion unklar.Ein Forschungsteam um Prof. Stanislav Gorb von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) wollte herausfinden, ob diese Feinstrukturen die Verdunstung beeinflussen. Dafür nutzten sie eine Methode, die auch im Engineering Standard ist: Sie entwickelten ein Computermodell der Hautoberfläche samt Setulae und führten Strömungssimulationen durch.  

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen die winzigen Härchen, sogenannten Setulae, auf der Echsenhaut. (Bild: © Filippov et al.)
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen die winzigen Härchen, sogenannten Setulae, auf der Echsenhaut.
(Bild: © Filippov et al.)

Kontraintuitives Strömungsverhalten im Nanomaßstab

Zunächst lag auch bei den Forschern die physikalische Vermutung nahe, dass eine durch Härchen vergrößerte Oberfläche zu einer höheren Verdunstung führen müsste. Die Simulationen der Luftströmung über die Haut zeigten jedoch einen völlig anderen Effekt: Die spezifische Anordnung der Setulae hält die Luft in den Mikro-Zwischenräumen fest und schirmt die eigentliche Oberfläche ab. „Die Struktur im Nanomaßstab erzeugt eine Grenzschicht“, erklärt Prof. Gorb. „Das bedeutet, dass die Wassermoleküle, die von der Hautoberfläche in die Luft gelangen, in dem begrenzten Raum viele Male zurückprallen und einige von ihnen wieder zurückkehren.“ Anstatt an die Umgebungsluft zu entweichen, wird die Feuchtigkeit durch dieses rein strukturelle Design zurückgehalten.

Von der Simulation zur künstlichen Oberfläche

Die nun im Fachjournal Biointerphases veröffentlichte Modellierung liefert den Nachweis, wie nanostrukturierte Oberflächen den Verdunstungsverlust rein mechanisch steuern können. In einem nächsten Schritt wollen die Kieler Forscher das simulierte Prinzip in der Praxis testen – unter anderem an künstlich hergestellter Haut. Zudem soll der Einfluss eingebetteter Lipide untersucht werden, die die Oberfläche zusätzlich wasserabweisend machen.
Das Verständnis dieser bionischen Grenzschichteffekte könnte künftig bei der Entwicklung von neuartigen Membranen, in der Klimatechnik oder bei der Auslegung feuchtigkeitsregulierender, technischer Oberflächen als Inspiration dienen.

Originalpublikation

Alexander E. Filippov, Alexander Kovalev, Elena V. Gorb et al. (2026): „Surface protrusions of the microstructured lizard skin may reduce evaporation intensity: Numerical modelling approach“, Biointerphases 21: 041006; DOI: 10.1116/6.0005508

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