Der Salvinia-Effekt beschreibt die dauerhafte Stabilisierung einer Luftschicht auf einer Oberfläche unter Wasser. Basierend auf biologischen Vorbildern (z. B. den Schwimmfarn (Salvinia), oder den Rückenschwimmer (Notonecta)) eröffnen biomimetische technische Salvinia-Oberflächen u. a. die Möglichkeit der Beschichtung von Schiffen, die reibungsreduziert (erste prototypische Oberflächen zeigten eine Reibungsreduktion von bis zu 30 %) auf einer Luftschicht durch das Wasser gleiten und Energie und Emissionen einsparen. Weitere Anwendungen sind die Adsorption von Öl zum Entfernen von Ölfilmen auf Gewässern und Unterwassersensoren wie neuartige Hydrophone.
Voraussetzungen sind extrem wasserabstoßende superhydrophobe Oberflächen mit bis zu mehrere Millimeter langen haarartigen gekrümmten und elastischen Strukturen, die unter Wasser die Luftschicht einschließen. Der Salvinia-Effekt wurde von dem Biologen und Bioniker Wilhelm Barthlott (Universität Bonn) und Mitarbeitern entdeckt und seit 2002 systematisch an Tieren und Pflanzen untersucht; Grundlage war der in der gleichen Arbeitsgruppe früher entdeckte Lotus-EffektW. Barthlott, C. Neinhuis: Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. In: Planta 202: 1-8. . Publikationen und Patentierungen erfolgten zwischen 2006 und 2016.W. Barthlott, M. Mail, C. Neinhuis: Superhydrophobic hierarchically structured surfaces in biology: evolution, structural principles and biomimetic applications. In: Phil. Trans. R. Soc. A. 374.2073, 2016. doi:10.1098/rsta.2016.0191W. Barthlott, M. Mail, B. Bhushan, K. Koch: Plant Surfaces: Structures and Functions for Biomimetic Innovations. In: Nano-Micro Letters. 9(23), 2017. doi:10.1007/s40820-016-0125-1. Die Schwimmfarne (Salvinia) mit extrem kompliziert geformten HaarenW. Barthlott, S. Wiersch, Z. Čolić, K. Koch: Classification of trichome types within species of the water fern Salvinia, and ontogeny of the egg-beater trichomes. In: Botany. 87(9) 2009, S. 830–836. doi:10.1139/B09-048. und die Rückenschwimmer der Gattung Notonecta mit einer komplexen Doppelstruktur aus Haaren (Setae) und Microvilli erwiesen sich als geeignete biologische Vorbilder. Drei der etwa zehn bekannten Salvinia-Arten zeigten darüber hinaus die erstaunliche, scheinbar paradoxe Besonderheit einer chemischen Heterogenität: hydrophile Haarspitzen, die die Luftschicht zusätzlich stabilisieren.W. Barthlott, T. Schimmel, S. Wiersch, K. Koch, M. Brede, M. Barczewski, S. Walheim, A. Weis, A. Kaltenmaier, A. Leder, H. Bohn: The Salvinia Paradox: Superhydrophobic surfaces with hydrophilic pins for air retention under water. In: Advanced Materials. 22(21) 2010, S. 2325–2328. doi:10.1002/adma.200904411.
Salvinia, Notonecta und andere Lebewesen mit lufthaltenden Oberflächen mini|Wassertropfen auf einem Schwimmblatt des Schwimmfarns Salvinia molesta. Aufgrund der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche kann der Tropfen nicht zwischen die Trichome dringen, durch die hydrophilen Spitzen („Ankerzellen“) wird er festgehalten. mini|Rückenschwimmer Notonecta glauca: die dem Wasser zugewandte Flügelseite weist eine hierarchische Struktur von langen Haaren (Setae) und einen Flaum von Microvilli auf.
Werden extrem Wasser abweisende (superhydrophobe), strukturierte OberflächenW. Barthlott, M. Mail, B. Bhushan, K. Koch: Plant Surfaces: Structures and Functions for Biomimetic Innovations. In: Nano-Micro Letters. 9(23), 2017. doi:10.1007/s40820-016-0125-1. unter Wasser getaucht, so wird Luft, für eine begrenzte Zeit, zwischen den Strukturen eingeschlossen („Air trapping“) und von der Oberfläche gehalten. Die untergetauchten Oberflächen weisen dann einen silbrigen Glanz aufgrund der Lichtreflexion an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser auf (siehe Totalreflexion). Langfristig gehaltene Luftschichten sind auch von unter Wasser lebenden Arthropoden bekannt, die über diese „Luftglocke“ (Plastron) atmen: beispielsweise die Wasserspinne (Argyroneta) und die Grundwanze (Aphelocheirus). Luftschichten dienen auch zur Reibungsreduktion bei sich schnell unter Wasser bewegenden Tieren, wie dem Rückenschwimmer Notonecta.P. Ditsche-Kuru, E. S. Schneider, J.-E. Melskotte, M. Brede, A. Leder, W. Barthlott: Superhydrophobic surfaces of the water bug Notonecta glauca: a model for friction reduction and air retention. In: Beilstein Journal of Nanotechnology. 2(1) 2011, S. 137–144, doi:10.3762/bjnano.2.17.
Die besten bekannten Beispiele für eine langzeitstabile Lufthaltung unter Wasser sind die Schwimmfarne der Gattung Salvinia. Die sind mit etwa zehn sehr unterschiedlich großen Arten, die sich auch in ihrer Oberflächenarchitektur stark unterscheidenW. Barthlott, S. Wiersch, Z. Čolić, K. Koch: Classification of trichome types within species of the water fern Salvinia, and ontogeny of the egg-beater trichomes. In: Botany. 87(9) 2009, S. 830–836. doi:10.1139/B09-048., in stehenden Gewässern aller wärmeren Gebiete der Erde anzutreffen. Eine Art, Salvinia natans, kommt auch in Mitteleuropa vor. Die Oberseite der Schwimmblätter ist stark Wasser abweisend und weist eine äußert komplizierte und artspezifisch sehr unterschiedliche samtige Behaarung auf. Bei einigen Arten sind die immer vielzelligen 0,3–3 mm langen Haare einzelstehend (z. B. Salvinia cucullata), bei Salvinia oblongifolia sind zwei Haare an der Spitze verbunden. Bei Salvinia minima und Salvinia natans stehen vier freie Haare auf einem Sockel. Die komplexesten Haare haben die Riesen-Salvinia Salvinia molesta und Salvinia auriculata sowie nahe verwandte Arten: auf einem gemeinsamen Stiel stehen je vier Haare, die aber an der Spitze verbunden bleiben. Das Ganze ähnelt einem mikroskopischen Schneebesen und hat zu dem treffenden Namen „Schneebesen-Haare“ (eggbeater trichomes) geführt. Die gesamte Blattoberfläche – inklusive der Haare – ist mit nanoskaligen Wachskristallen überzogen, die für den Wasser abweisenden Charakter der Oberfläche verantwortlich sind. Die Blattoberflächen sind somit ein klassisches Beispiel für eine „hierarchische Strukturierung“.
Die Schneebesen-Haare von Salvinia molesta und die nahe verwandten Arten (z. B. Salvinia auriculata) zeigen eine zusätzliche bemerkenswerte Eigenschaft. Die vier Zellen („Anker-Zellen“) an den Spitzen der Trichome sind im Gegensatz zur übrigen Oberfläche, wachsfrei: also hydrophile Inseln auf einer superhydrophoben Oberfläche. Diese chemische Heterogenität ermöglicht ein „Pinning“ der Luft-Wasser-Grenzfläche und durch dieses „Salvinia-Paradox“ optimierte druckstabile und persistente Luftschichten unter Wasser.M. Amabili, A. Giacomello, S. Meloni, C. M. Casciola: Unraveling the Salvinia Paradox: Design Principles for Submerged Superhydrophobicity. In: Advanced Materials Interfaces. 2(14) 2015. doi:10.1002/admi.201500248.D. Gandyra, S. Walheim, S. Gorb, P. Ditsche, W. Barthlott, T. Schimmel: Air Retention under Water by the Floating Fern Salvinia: The Crucial Role of a Trapped Air Layer as a Pneumatic Spring. In: Small 2003425, 2020
Die Luftschicht der langsam flottierenden Schwimmfarne dient nicht zur Reibungsreduktion. Die ökologisch extrem anpassungsfähige Salvinia molesta ist inzwischen in allen Tropen und Subtropen der Erde eine der bedeutendsten invasiven Pflanzen und wurde somit zu einem wirtschaftlichen und ökologischen Problem.environment.gov.au Ihre Wachstumsgeschwindigkeit ist vielleicht die höchste aller Gefäßpflanzen. Sie kann unter optimalen Bedingungen in den Tropen ihre Biomasse innerhalb von vier Tagen verdoppeln. Für ihren ökologischen Erfolg spielt wahrscheinlich der hier beschriebene Salvinia-Effekt eine entscheidende Rolle: die mehrschichtigen flottierenden Matten können in der Luftglocke unter Wasser ihre Funktion des Gasaustausches aufrechterhalten.
Funktionsprinzip mini|Schematische Abbildung der Stabilisierung unter Wasser gehaltener Luftschichten durch hydrophile Ankerzellen (Salvinia-Paradox). Der Salvinia-Effekt beschreibt Oberflächen, die durch eine hydrophobe Chemie in Verbindung mit einer komplexen ArchitekturW. Konrad, C. Apeltauer, J. Frauendiener, W. Barthlott, A. Roth-Nebelsick: Applying methods from differential geometry to devise stable and persistent air layers attached to objects immersed in water. In: Journal of Bionic Engineering. 6(4) 2009, S. 350–356, doi:10.1016/S1672-6529(08)60133-X. in nano- und mikroskopischer Dimension in der Lage sind, dauerhaft verhältnismäßig dicke Luftschichten unter Wasser zu halten. Entdeckt wurde das Phänomen bei der Untersuchung von im Wasser lebenden Pflanzen und Tieren, die systematisch 2002–2007BMBF-Projekt PTJ-BIO/311965A: Superhydrophobe Grenzflächen – ein mögliches Potenzial für hydrodynamische technische Innovationen. Bonn 2002–2007. von Wilhelm Barthlott und Mitarbeitern an der Universität Bonn untersucht wurden, Grundlage war der in der gleichen Arbeitsgruppe viel früher entdeckte ähnliche Lotus-Effekt.W. Barthlott, C. Neinhuis: Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. In: Planta 202: 1-8. W. Barthlott, M. Mail, B. Bhushan, K. Koch: Plant Surfaces: Structures and Functions for Biomimetic Innovations. In: Nano-Micro Letters. 9(23), 2017. doi:10.1007/s40820-016-0125-1. Es wurden fünf Kriterien definiert,A. Solga, Z. Cerman, B. F. Striffler, M. Spaeth, W. Barthlott: The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces. In: Bioinspir. Biomim. 4(2) 2007, S. 126–134. doi:10.1088/1748-3182/2/4/S02M. Mail, B. Böhnlein, M. Mayser, W. Barthlott: Bionische Reibungsreduktion: Eine Lufthülle hilft Schiffen Treibstoff zu sparen. In: A. B. Kesel, D. Zehren (Hrsg.): Bionik: Patente aus der Natur – 7. Bremer Bionik Kongress. Bremen 2014, ISBN 978-3-00-048202-1, S. 126–134. die die Existenz stabiler Luftschichten unter Wasser ermöglichen und seit 2009 als Salvinia-EffektK. Koch, H. F. Bohn, W. Barthlott: Hierarchically Sculptured Plant Surfaces and Superhydrophobicity. In: Langmuir. 25(24) 2009, S. 14116–14120. doi:10.1021/la9017322. bezeichnet werden: die (1) hydrophobe Chemie der Oberfläche, die in Kombination mit (2) Nanostrukturen eine Superhydrophobie generiert, (3) haarartige mikroskopische einige Mikro- bis mehrere Millimeter hohe Strukturen, die (4) Hinterschneidungen aufweisen und (5) elastisch sind. Elastizität scheint für die Kompression der Luftschicht unter wechselnden hydrostatischen Bedingungen wichtig zu sein.P. Ditsche, E. Gorb, M. Mayser, S. Gorb, T. Schimmel, W. Barthlott: Elasticity of the hair cover in air-retaining Salvinia surfaces. In: Applied Physics A. 2015. doi:10.1007/s00339-015-9439-y. Als zusätzlich optimierendes Kriterium können chemische Heterogenitäten durch Ankerzellen als hydrophile Pins (Salvinia-Paradox) hinzukommen. Es handelt sich um das Paradebeispiel einer hierarchischen Strukturierung auf mehreren Ebenen.
In der Biologie sind Salvinia-Effekt-Oberflächen immer in relativ kleine Kompartimente mit einer Länge von etwa 0,5–8 cm fragmentiert und die Ränder durch eine besondere MikroarchitekturA. Balmert, H. F. Bohn, P. Ditsche-Kuru, W. Barthlott: Dry under water: Comparative morphology and functional aspects of air-retaining insect surfaces. In: Journal of Morphology. 272(4) 2011, S. 442–451, doi:10.1002/jmor.10921. vom seitlichen Entweichen der Luft geschützt. Diese Kompartimentierung mit ihren Randeffekten sind für die technische Umsetzung von Bedeutung.