Selvrensing finner man i naturen, og er særlig kjent gjennom lotusplanten. Den har i tusenvis av år forundret ved sin eksepsjonelle renhet og – nærmest overjordiske – glans. Den lever i sølete vann, men bladene blir aldri skitne. Regnet vasker bort ethvert støvkorn eller forurensning fra lotusbladet, og etterlater planten ren og glinsende.
Den tyske botanikeren Wilhelm Barthlott konstaterte for flere tiår siden at “lotuseffekten” skyldes en kombinasjon av to egenskaper ved lotusbladet: at det er dekket med et tynt vokslag, og at overflaten er forsynt med ørsmå nupper.
Mange andre planteblader er også forsynt med et vokslag som gjør at vanndråpene samler seg som på en nypolert bil. Det som skiller lotusplanten fra de andre, er nuppene (de er fra 3 til 10 tusendels millimeter høye) i kombinasjon med et vokslag som bare er ca. 100 nanometer – en titusendels millimeter – tykt.
Denne kombinasjonen gjør vannavstøtningen ekstra effektiv. Vanndråpene blir liggende på toppen av forhøyningene, og det skal nesten ingenting til før de ruller av.
Nå er ikke lotusen helt alene i naturen om effekten den har gitt navnet til. Forskerne har for lengst oppdaget at bl.a. risplanten (oryza sativa), vingene til øyenstikkerne og enkelte andre insekter, øynene til myggen og skinnet på haien har lotuseffekt.
Men hvordan virker det?
Hydrofob og hydrofil
Før det spørsmålet kan besvares, må vi innom begrepene hydrofob (vannavstøtende) og hydrofil (vanntiltrekkende). Jfr. figuren.
Et hydrofilt materiale har evnen til å danne hydrogenbindinger med vann, og en vanndråpe som lander på overflaten av materialet flyter utover. Fysikerne regner et materiale som hydrofilt hvis kontaktvinkelen mellom vanndråpe og materialoverflate er mindre enn 30 grader.
På et hydrofobt materiale er kontaktvinkelen mer enn 90 grader, og vanndråpen flyter lite utover. På en superhydrofob overflate (som lotusbladet) er kontaktvinkelen over 150 grader, dvs. at vanndråpen er nesten kuleformet og har minimal kontakt med overflaten. (Hadde vanndråpen vært helt kuleformet, hadde kontaktvinkelen vært 180 grader.)
På en superhydrofil overflate er kontaktvinkelen under 10 grader. Også her kan en selvrensende effekt oppnås ved at vannet går under skitten og drar den med seg.
Ekstremt mye forskning
Wilhelm Barthlott forsto at hvis lotuseffekten kunne fremstilles kunstig, ville den ha mange praktiske og kommersielle anvendelser. På slutten av 1980-tallet fikk han patentert ideen om å fremstille materialer med kunstige ørsmå forhøyninger, og han registrerte Lotus Effect som varemerke.
I 2007 utropte Wirtschaftswoche Barthlotts Lotus Effect til en av de 50 viktigste oppfinnelser i de foregående tiår.
Da Barthlott fikk sitt patent, fantes det imidlertid ikke teknologi for kunstig fremstilling av “lotusoverflater” i kommersielt interessante mengder. Så i lang tid var oppfinnelsen “sovende”.
Men med utviklingen av nanoteknologien åpnet det seg nye muligheter, og i 2014 kom Julie Crockett og Dan Maynes med en “oppskrift” på storskalafremstilling. Deres superhydrofobe nanomaterialer er utstyrt med ribber eller tapper (jfr. figur), og deretter dekket med et tynt hydrofobt belegg. Konfigurasjonen på tappene/ribbene tenkte de seg varierer etter materialet som anvendes.
Det forskes ekstremt mye på hydrofobe materialer. Bare fra 2010 til 2018 ble det iflg. Mehran Gahsemlou publisert ikke mindre enn 12.481 artikler om temaet; tendensen er stigende for hvert år. Det er ikke så rart, ettersom kunstig fremstilte materialer med lotuseffekt har mange og viktige anvendelser.
Mindre smitte og bedre luft
Blant anvendelsesområdene for superhydrofobe materialer kan nevnes: vindusglass, klær og markiser som blir rene i første vask eller ved første regnskur, vann- og skittavstøtende bygningsmaterialer, maling, bestikk og kjeler, sykehusenes beholdere, sprøyter, sengetøy, vegger osv. (bakterier vil – på samme måte som skittpartikler – bli avstøtt av hydrofobe materialer), solcellepaneler, fly-vinger så de ikke kan ise, “huden” på båter så de får lavere friksjon i vannet og dermed lavere drivstoff-forbruk, og innpakningsplast som “slipper” matvarene så matvarene drøyer for deg og meg og det blir lettere å gjenvinne plasten.
Som man forstår, kan hydrofobe materialer i høy grad bidra til bedre miljø. En ekstra interessant effekt er at de også kan gi bedre luftkvalitet i byene. Iflg. C. Bolte m.fl. kan f.eks. fortau med spesialbetong med tilsetninger av titandioksyd TiO2 omtrent halvere innholdet av den skadelige miljøgassen NOx i luften over fortauet.
Men det er mange problemer som forskerne og industrien må løse før du og jeg kan dra nytte av lotuseffektens fulle potensial.
For det første må materialene som benyttes være miljøvennlige, dvs. både ufarlige og nedbrytbare. I starten var det fluor i de fleste kunstig fremstilte hydrofobe materialer. Det var naturligvis ikke akseptabelt i større skala. Nå er titandioksyd mest brukt, og det ser uproblematisk ut fra et miljøsynspunkt.
For det andre må holdbarheten av beleggene være akseptabel. Forskerne har balet mye med å få frem materialer som er holdbare når de utsettes for sollys, forurenset luft og surt regn, eller mekanisk slitasje. Et vanlig vokslag, som f.eks. det du får når bilen poleres, holder bare kort tid før det må fornyes.
For den som vil vite mer
Mehran Ghasemlou m.fl.: Bio-inspired sustainable and durable superhydrophobic materials: from nature to market. Journal of Materials Chemistry, 2019.
Anna Rabajczuk m.fl.: Self-Cleaning Coating and Surfaces of Modern Building Materials for the Removal of Some Air Pollutants, Materials, April 2021.
Men nå har forskerne og industrien lykkes med å fremstille tekstiler som tåler mer enn 150 vasker i vaskemaskinen og hydrofobe bygningsmaterialer med akseptabel brukstid før den hydrofobe effekten forringes. En god oversikt finnes i artikkelen til Meharn Ghasemlou nevnt i faktaboksen.
Er da selvrensende maling fleip eller fakta? Det er et faktum at du nå kan kjøpe maling som er selvrensende. Men i og med at teknologien er såpass ny, er det nok usikkert hvor mange år den selvrensende effekten holder. Denne skribent synes uansett det er verdt et forsøk.
