Seife und Mücken: Die Geheimwaffe gegen die „Rückkehr des Südwindes“?

Vor kurzem ist in einigen Teilen Südchinas das einzigartige Phänomen der „Rückkehr des Südwindes“ aufgetreten und viele Internetnutzer haben gesagt, dass es sich „anfühlt, als würde man in einer Wasservorhanghöhle leben“ und „es fühlt sich an, als würden die Wände des Hauses weinen“. Der Grund für dieses Phänomen ist, dass die Außentemperatur hoch und die Innentemperatur niedrig ist. Der durch die Kondensation von Wasserdampf in Innenräumen entstehende Wassernebel bedeckt die Oberfläche von Wänden und Böden. Aus demselben Grund beschlagen im Winter auch Brillengläser. Die breite Öffentlichkeit kann einfach abwarten, bis sich das Wetter weiter erwärmt, dann wird die „Rückkehr des Südwindes“ von selbst vorübergehen. Für medizinisches Personal und einige Spezialeinsatzkräfte ist es jedoch sehr wichtig, ein Beschlagen der Geräteoberfläche zu vermeiden. Um das Beschlagen der Oberfläche zu verhindern, gibt es viele Tricks. und hydrophile Seife und wasserfestes Mückenschutzmittel könnten unsere Geheimwaffen im Kampf gegen die „Rückkehr des Südwindes“ sein.

Geschrieben von Wang Wei (Professor am Harbin Institute of Technology (Shenzhen))

1

Rückkehr des Südwindes und des Nebels

Als ich am Samstagmorgen das Haus verließ, dachte ich für einen Moment, ich sei in einem Badehaus angekommen: An den Wänden und Fenstern im Flur hingen Wassertropfen, und der Boden war feucht, als wäre er mit Wasser besprenkelt worden. Unten in der Community geht es noch krasser zu: An manchen schattigen Stellen kann man sogar ins Wasser auf dem Fliesenboden waten und planschen.

Der Flur des Hauses des Autors. Niemand hat den Boden gewischt oder die Wände abgewischt.

Es stellt sich heraus, dass die jährliche „Rückkehr des Südwindes“ wieder stattgefunden hat.

Bildquelle: Offizieller Account der Gesundheitskommission von Shenzhen

Studenten, die in Guangdong und Fujian leben, sind möglicherweise bereits mit der „Rückkehr des Südwindes“ vertraut. Der Grund für dieses Phänomen liegt, vereinfacht ausgedrückt, darin, dass die Außentemperatur plötzlich ansteigt und die Luftfeuchtigkeit hoch ist, der Raum jedoch noch kühl ist, sodass Wasserdampf auf der Innenfläche kondensiert.

Bildquelle: Offizieller Account des China Weather Network

Nach dem gleichen Prinzip beschlagen unsere Brillengläser leicht, wenn wir im Winter ins Badehaus gehen oder im Sommer aus einem klimatisierten Raum nach draußen gehen. Wenn Sie im Winter in einem geschlossenen Auto sitzen, beschlagen außerdem die Innenscheiben des Autos. Und im Sommer neigen auch die Außenscheiben klimatisierter Autos zum Beschlagen.

Ob es sich nun um die Rückkehr des Südwindes oder das Beschlagen von Glas und Scheiben handelt, es kann nur einige Unannehmlichkeiten in unser Leben bringen. Für medizinisches Personal und Arbeiter, die wichtige Instrumente und Geräte bedienen usw., führt das plötzliche Beschlagen von Schutzbrillen und Brillen jedoch zu einer getrübten Sicht und stellt somit ein enormes Sicherheitsrisiko dar. Auch das Beschlagen der Windschutzscheiben und Rückspiegel von Flugzeugen und Autos kann schwere Verkehrsunfälle verursachen. Daher ist die Entwicklung von Antibeschlagmaterialien von großer praktischer Bedeutung.

Auch in der Natur hat Antibeschlag eine wichtige Bedeutung. Wenn sich beispielsweise bei kleineren Fluginsekten wie Schmetterlingen und Mücken Wassertropfen auf den Flügeln, Augen oder anderen Körperteilen niederschlagen, kann dies verheerende Folgen haben.

Um Beschlagen zu vermeiden, müssen wir zunächst verstehen, dass es drei Elemente gibt, die zum Beschlagen der Oberfläche eines Objekts führen: hohe Luftfeuchtigkeit, niedrige Oberflächentemperatur und die Bildung kleiner Wassertröpfchen. Durch Entfeuchten der Luft oder Erwärmen der Oberfläche kann das Beschlagen von vornherein vermieden werden.

Bildquelle: Zeichnung des Autors

Doch sei es die Ausatemluft des Menschen oder die Umgebung, in der Insekten leben, es wird ständig Wasserdampf zugeführt; Und egal, ob es sich um eine Arztbrille oder um die Augen und Flügel einer Mücke handelt: Sie lassen sich nicht beliebig erhitzen. Welche anderen Methoden können also verwendet werden, um das Beschlagen von Schutzbrillen und Mücken zu verhindern?

Lassen Sie uns die drei Elemente des Vernebelns noch einmal durchgehen. Da wir die Oberfläche nicht erwärmen oder die Luftfeuchtigkeit reduzieren können, können wir nur auf die Wassertropfen einwirken. Mit anderen Worten: Kondenswasser ist zulässig, allerdings nur, wenn die Bildung von Wassertropfen vermieden wird. Basierend auf dieser Idee gibt es zwei Antibeschlagstrategien, nämlich die „hydrophile“ Strategie, bei der Wasser zu einem gleichmäßigen Wasserfilm kondensiert, und die „hydrophobe“ Strategie, bei der Wasser zu großen Wassertropfen kondensiert und nach unten tropft.

2

Antibeschlag-Strategie 1: Hydrophile Oberfläche

Bildquelle: Zeichnung des Autors

Künstliche Antibeschlagmaterialien verwenden üblicherweise die erste Methode, bei der die Oberfläche chemisch verändert und mit einigen „hydrophilen“ Substanzen bedeckt wird, sodass sich das Kondenswasser zu einem gleichmäßigen Wasserfilm ausbreiten kann. Ein solcher Wasserfilm ist durchsichtig wie Glas und beeinträchtigt daher die Sicht nicht.

Diese „Hydrophilisierung“ kann durch den Einsatz spezieller Instrumente erreicht werden. Beispielsweise können durch die Bombardierung der Glasoberfläche mit „Sauerstoffplasma“ Gruppen mit Sauerstoffatomen erzeugt werden, die die Hydrophilie der Glasoberfläche deutlich verbessern, so dass Wasser sie vollständig benetzen und einen Wasserfilm bilden kann.

Bildquelle: Zeichnung des Autors

Es kann auch „hydrophil“ gemacht werden, indem man es mit einer speziellen Beschichtung überzieht. Forscher am Xiangya-Krankenhaus der Central South University haben beispielsweise eine Verbundbeschichtung aus organischen Siliziumoxiden und Acrylsäure entwickelt, die eine gute Hydrophilie und Lichtdurchlässigkeit aufweist und fest mit optischen Linsen verbunden werden kann, ohne abzufallen. [1]

Mittlerweile sind auf dem Markt viele Antibeschlagbrillen erhältlich, die auf ähnlichen Konzepten basieren. In der Anfangsphase des Ausbruchs kann das medizinische Personal diese Antibeschlagbrillen jedoch möglicherweise nicht in großem Umfang einsetzen, beispielsweise aus Preis- und Versorgungsgründen. Gibt es eine günstigere und kostengünstigere Möglichkeit, Schutzbrillen sofort beschlagfrei zu machen?

3

Seife auftragen, um Beschlagen zu verhindern

Neben der Plasmabehandlung und Beschichtung kann eine „Hydrophilisierung“ auch durch die Aufbringung chemischer Moleküle, sogenannter „Tenside“, erreicht werden. Ein solches Molekül ist in zwei Enden unterteilt: Ein Ende ist ein wasserliebender Kopf, der normalerweise eine elektrische Ladung oder einige Atome oder Gruppen enthält, die sich fest an Wassermoleküle binden können; Das andere Ende ist ein wasserabweisender („hydrophober“) Schwanz, der normalerweise aus einer langen organischen Molekülkette besteht. Seifenmoleküle (Spülmittel, Waschmittel usw.) sind typische Tenside. Mit ihren hydrophoben Enden ziehen sie Ölflecken von der Oberfläche von Kleidung und Geschirr und lösen sie im Wasser auf.

Bildquelle: Zeichnung des Autors

Nach dem Auftragen von Tensiden auf die Oberfläche eines Objekts haftet ihr hydrophobes Ende an der Oberfläche des Objekts und das andere Ende verbindet sich mit Wassermolekülen, um die Ausbreitung der Wassermoleküle zu unterstützen und einen Wasserfilm zu bilden.

Dies führte zu einem Volksheilmittel, das das Beschlagen von Brillengläsern im Winter verhindern soll: „Lösen Sie ein Produkt wie Spülmittel, Seife, Zahnpasta oder Eiweiß in Wasser auf und legen Sie Ihre Brillengläser in diese Lösung … Ihre Brille bleibt den ganzen Tag beschlagfrei, ist das nicht erstaunlich?“[2] Der Kern dieser Methode besteht darin, eine Schicht aus Tensidmolekülen auf die Oberfläche der Brille aufzutragen, sodass das kondensierte Wasser einen klaren Film bildet und keine kleinen Tröpfchen, die die Sicht behindern.

Obwohl diese Methode altmodisch erscheint, war sie für viele medizinische Fachkräfte die am dringendsten benötigte „Engpasstechnologie“, als das neue Coronavirus vor zwei Jahren wütete. In einem 2020 im Chinese Journal of Optometry and Visual Science veröffentlichten Artikel [3] untersuchte ein Team des Eye and Vision Hospital der Wenzhou Medical University sieben Methoden zur Lösung des Problems beschlagfreier Schutzbrillen, darunter Handdesinfektionsmittel, Seifenreiniger, Antibeschlagcreme, Jodtinktur, Scheibenwaschflüssigkeit für Autos und Antibeschlagmittel für Schwimmbrillen. Sie fanden heraus, dass „antibakterielle Handdesinfektionsmittel, die überall im Umfeld von medizinischem Personal zu finden sind, eine Antibeschlagfunktion haben können. Tragen Sie das Handdesinfektionsmittel auf die Innenseite der Schutzbrille auf, spülen Sie sie anschließend mit Wasser ab und schütteln Sie sie trocken (Hinweis: Nicht mit Gaze oder Papiertüchern trockenwischen), damit die Schutzbrille beschlagfrei wird. Diese Methode ist bequem und praktisch, verwendet lokale Materialien und wirkt langanhaltend. Die medizinischen Teams von drei Stationen unter der Leitung von Zheng Xiuyun, einem der Autoren dieses Artikels, der nach Wuhan eilte, um zu helfen, verwendeten diese Methode, um das Beschlagen zu verhindern. Die Wirkung ist stabil und hält lange an.“

Ob es sich nun um billiges Seifenwasser, das hochtrabende „Antibeschlagmittel für Schwimmbrillen“ oder sogar um die von einigen wissenschaftlichen Forschungsteams entwickelte „Antibeschlagbeschichtungstechnologie für Brillen“ handelt, das Prinzip ist dasselbe: Tensidmoleküle sorgen dafür, dass Wasser zu einem Wasserfilm kondensiert, anstatt Wassertropfen zu bilden.

Gerade weil diese Methoden im Wesentlichen gleich sind, weisen sie auch ähnliche Nachteile auf: Diese „Antibeschlag“-Moleküle haften nur leicht an der Oberfläche von Objekten und können bei mechanischer Einwirkung (z. B. Kratzern) leicht abfallen. Aus diesem Grund wird im obigen Dokument ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das Trockenwischen mit Gaze oder Papiertüchern vermieden werden sollte. Andererseits sind diese Tensidmoleküle grundsätzlich wasserlöslich. Wenn also Wasser auf der Oberfläche eines Gegenstands kondensiert, werden auch diese Moleküle mitgerissen, sodass diese Antibeschlagmethode meist innerhalb eines Tages versagt.

4

Antibeschlag-Strategie 2: Superhydrophobe Oberfläche

Um die Bildung kleiner Wassertropfen bei der Kondensation von Wasser auf der Oberfläche zu vermeiden, kann die Oberfläche, wie oben erwähnt, physikalisch behandelt oder mit einer hydrophilen Beschichtung versehen werden, um sie hydrophil zu machen, sodass das Wasser zu einem klaren und durchsichtigen Wasserfilm kondensiert, der die Sicht nicht beeinträchtigt. Allerdings können solche Beschichtungen leicht durch Öl, Staub usw. in der Luft verunreinigt werden, wodurch sie ihre Hydrophilie verlieren und leicht abfallen und sich auflösen. Daher haben Schutzbrillen, die mit dieser „hydrophilen“ Strategie hergestellt werden, oft eine kurze Lebensdauer.

Für den täglichen Gebrauch ist es vielleicht keine große Sache, einmal täglich eine Antibeschlagbehandlung durchzuführen. Doch für Lebewesen, die täglich mit dem Wasserdampf in der Luft zu kämpfen haben, sind die oben genannten Antibeschlagmethoden nicht nur unbequem, sondern es kann zu einer Frage von Leben und Tod werden, wenn die hydrophile Beschichtung versagt. Daher erfordert die Natur eine stabile, dauerhafte und zuverlässige Antibeschlagstrategie.

Der Lotus, der „ohne Flecken über den Schlamm hinausragt“, macht uns klar, dass es auch eine „hydrophobe“ Antibeschlagstrategie gibt, die sich völlig von der „hydrophilen“ Strategie des Menschen unterscheidet. Die Leser sind möglicherweise mit den wasserabweisenden Eigenschaften von Lotusblättern vertraut: Wassertropfen bleiben nicht nur nicht an der Oberfläche des Lotusblattes haften, sondern verwandeln sich in Wasserperlen und rollen zur Mitte des Lotusblattes hinunter, genau wie auf der Oberfläche einer antihaftbeschichteten Pfanne. Seit der deutsche Botaniker Wilhelm Barthlott in den 1970er Jahren erstmals die Oberfläche von Lotusblättern unter dem Mikroskop untersuchte, ist das hydrophobe Prinzip von Lotusblättern im Grunde verstanden: Einfach ausgedrückt weist die Oberfläche von Lotusblättern zahlreiche Vorsprünge auf, die Dutzende oder Hunderte Male kleiner als ein Haar sind, und die Oberfläche ist mit hydrophobem Wachs bedeckt. Wasser kann eine solche Oberfläche nicht benetzen und ist gezwungen, große Tropfen zu bilden. Wenn sich das Lotusblatt leicht neigt, rollen die Tropfen fröhlich.

Bildnachweis: Quelle: Ensikat, HJ; Ditsche-Kuru, P.; Neinhuis, C.; Barthlott, W. Beilstein J. Nanotechnol. 2011, 2, 152–161

Auch Insekten, die keine Nässe mögen, nutzen diese Mikro-Nano-Struktur, um ein Beschlagen zu verhindern. So weisen die Flügel von Schmetterlingen spezielle Rillen auf, die in ihrer Größe den Beulen auf der Oberfläche von Lotusblättern ähneln und sich ebenfalls im Mikro-Nano-Bereich befinden. und die Facettenaugen der Mücken bestehen aus eng angeordneten winzigen Sechsecken, wodurch sich auf der Oberfläche kondensiertes Wasser nicht ausbreiten kann, sondern stattdessen Tropfen bildet. Noch erstaunlicher ist, dass die rollenden Wassertropfen auch Schmutz von der Oberfläche der Flügel und Augen wegtragen können und so dafür sorgen, dass der Körper des Insekts trocken und sauber bleibt.

Bildquelle:
https://blog.scienceborealis.ca/superhydrophobicity-from-leaf-to-lab/

&https://www.quora.com/Wie viele Augen hat eine Mücke?

Die Forschung an bionischen Antibeschlagmaterialien auf Basis superhydrophober Oberflächen ist ein sehr vielversprechendes Forschungsfeld. Auch chinesische Wissenschaftler haben auf diesem Gebiet weltweit führende Forschungsergebnisse erzielt. Interessierte Leser können die Referenzen [4], [5] lesen (Anmerkung des Herausgebers: Siehe „Von der Natur zur Bionik: Vergangenheit und Gegenwart superhydrophober Materialien“). Sie fragen sich vielleicht: Da uns die Natur eine so gute Strategie zur Verfügung gestellt hat, können wir diese superhydrophobe Mikro-Nanostruktur in Antibeschlagschutzbrillen, Windschutzscheiben und Brillen verwenden? Leider wurde diese Methode bisher weder in der Produktion noch im Alltag im großen Maßstab eingesetzt. Der Grund hierfür liegt einerseits darin, dass die Herstellung und Massenproduktion solch feiner Strukturen im Mikro- und Nanomaßstab sehr kostspielig und aufwändig sein kann. Andererseits sind unsere Anforderungen an Antibeschlagoberflächen nicht so hoch wie die von Insekten, und die Nachfrage nach langlebigen und stabilen Antibeschlagmaterialien ist nicht so dringend.

Darüber hinaus hat diese superhydrophobe Oberfläche auf Basis von Mikro-Nano-Strukturen einen fatalen Nachteil: Sie ist nicht verschleißfest. Wenn eine so empfindliche Struktur zerstört wird, geht die hydrophobe „Magie“ grundsätzlich verloren. Das Team von Professor Deng Xu an der University of Electronic Science and Technology of China und seine Mitarbeiter haben jedoch vor kurzem eine neue Strategie entwickelt[6], bei der eine mikrostrukturelle „Panzerung“ mit ausgezeichneter mechanischer Stabilität zum Schutz der superhydrophoben Oberfläche verwendet wird. Dadurch wird das Problem der Abnutzung superhydrophober Oberflächen weitgehend gelöst. Vielleicht werden wir bald in Tausenden von Häusern wasserdichte, selbstreinigende Wände, Glas und sogar Solarmodule sehen.

Wer hätte gedacht, dass Mücken und Schmetterlinge unsere wichtigsten Helfer im Kampf gegen die Rückkehr des Südwindes sein könnten?

Verweise

[1] Li Jian, Liu Jiayi, Zhang Yangde, Oberflächenmodifizierung optischer Linsen durch einen neuen Nano-Antireflex- und Antibeschlagfilm, Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2011, 15(3): 445-449

[2] „Was tun, wenn die Brille beim Tragen einer Maske im Winter beschlägt? Hier sind 5 Tipps für Sie“, NetEase

[3] Huang Xiaoqiong, Qu Jia, Chen Yanyan et al. Richtige Auswahl und Antibeschlag-Anleitung für Schutzbrillen während der COVID-19-Epidemie. Chinesisches Journal für Optometrie und visuelle Wissenschaften, 2020, 22 (04): 253-255.

[4] „Review: Fortschritte und Herausforderungen bei der Superbenetzung biomimetischer Antibeschlagmaterialien
https://www.materialsviewschina.com/2018/05/28848/“

[5] Wang Pengwei, Liu Mingjie, Jiang Lei. Bionische, mehrskalige, superbenetzende Grenzflächenmaterialien. Chinesisches Journal für Physik, 2016, 65(18): 186801.

[6] Dehui Wang, Qiangqiang Sun, Matti J. Hokkanen, Chenglin Zhang, Fan-Yen Lin, Qiang Liu, Shun-Peng Zhu, Tianfeng Zhou, Qing Chang, Bo He, Quan Zhou, Longquan Chen, Zuankai Wang, Robin HA Ras, Xu Deng, Nature, 2020, 582, 55–59,

Besondere Tipps

1. Gehen Sie zur „Featured Column“ unten im Menü des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“, um eine Reihe populärwissenschaftlicher Artikel zu verschiedenen Themen zu lesen.

2. „Fanpu“ bietet die Funktion, Artikel nach Monat zu suchen. Folgen Sie dem offiziellen Account und antworten Sie mit der vierstelligen Jahreszahl + Monat, also etwa „1903“, um den Artikelindex für März 2019 zu erhalten, usw.

Copyright-Erklärung: Einzelpersonen können diesen Artikel gerne weiterleiten, es ist jedoch keinem Medium und keiner Organisation gestattet, ihn ohne Genehmigung nachzudrucken oder Auszüge daraus zu verwenden. Für eine Nachdruckgenehmigung wenden Sie sich bitte an den Backstage-Bereich des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“.