Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Haarige Füße kleben besser an einer feuchten Decke

08.11.2005


Forscher des Max-Planck-Instituts für Metallforschung zeigen, dass Feuchtigkeit die Haftkraft der Nanohärchen an einem Gecko-Fuß verstärkt


Nanostrukturen auf der Fußsohle eines Geckos: Dank ungefähr einer Milliarde hierarchisch organisierter Nanohärchen an seiner Fußsohle kann der Gecko - im Unterschied zum Menschen - auch an Wänden und Decken spazieren gehen. Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung



Der Gecko ist der wohl bekannteste Kletterkünstler: Es ist das schwerste Tier, das sich kopfüber an nahezu allen Oberflächen festhalten kann. Deshalb wird das feinhaarige Haftsystem seines Fußes intensiv erforscht. Doch erst jetzt ist es Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in Stuttgart mit hochauflösender Mikrokopie und speziellen Tricks gelungen, die Haftmechanismen an der Gecko-Fußsohle - ca. eine Milliarde von Nanohärchen pro Fuß - auch im kleinsten Detail zu untersuchen. Dabei haben die Forscher herausgefunden, dass die Haftfähigkeit des Geckos im Nanometer-Bereich durch Feuchtigkeit gesteigert wird. Diese Erkenntnis ist wichtig für die Entwicklung künstlicher, sich am Vorbild der Natur orientierender Haftsysteme, wie neuartiger selbsthaftender Klebebänder (PNAS, Early Edition, 8. November 2005).



An der Sohle eines Gecko-Fußes sitzen etwa eine Milliarde so genannter Spatulae - winzige, etwa 200 Nanometer breite und ebenso lange Hafthärchen. Diese sind für den direkten Kontakt des Geckos mit seiner Umgebung verantwortlich. In einem dreigliedrigen, hierarchisch geordneten Haftsystem sitzen diese Nano-Hafthärchen an den so genannten Setae, die etwa 100 Mikrometer lang sind und mit einer Breite von 6 Mikrometern gerade einmal ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares erreichen. Die reihenförmig angeordneten Setae bilden wiederum 400 bis 600 Mikrometer lange Lamellen, die bereits mit dem menschlichen Auge gut zu sehen sind (vgl. Abb.).

Dieses sich über drei Ebenen immer feiner verästelnde Haftsystem erlaubt es dem Gecko, mit seinen Füßen auf nahezu allen Oberflächen zu haften und selbst kopfüber an der Zimmerdecke zu marschieren. Bisher war noch unklar, welcher Mechanismus nun hauptsächlich für die extreme Haftkraft des Geckos verantwortlich ist. Klar war, dass das "trockene" Haftsystem ohne eigene Sekretausscheidung funktioniert. Doch es nutzt das Wasser, das auf jeder irdischen Oberfläche in Monolagen als ultradünner Film vorhanden ist.

Bisher wurden Experimente lediglich auf der Ebene einzelner Lamellen und Setae (100 bis 1000 Spatulae) durchgeführt. Jetzt ist den Stuttgarter Max-Planck-Forschern erstmals mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops (Atomic Force Microscope, AFM) gelungen, auch die Haftkraft einer einzelnen Spatulae zu messen. Die neue Methode wurde im März 2005 veröffentlicht (s. Originalveröffentlichung). Die Forscher haben dazu die Haftkraft auf ganz unterschiedlich wasserliebenden Substraten sowie bei unterschiedlich hoher Luftfeuchtigkeit gemessen.

Dazu lösten die Forscher zunächst mit einer Nadelspitze einzelne Setae vom Fuß eines Gekko geckos ab. Unter dem Binokularmikroskop fixierten sie das isolierte Haar mittels eines Klebstofftropfens an der Cantileverspitze und richteten es senkrecht aus. Dieser Tropfen besaß in etwa die Größe der für den Transfer verwendeten Spitze einer menschlichen Wimper. Anschließend bearbeiteten die Forscher diese Probe mit einem fokussierten Ionenstrahlmikroskop (engl. Focussed Ion Beam, FIB - vergleichbar einem Rasterelektronenmikroskop). Damit die Probe dabei nicht beschädigt wird, legten sie einen niedrigen Strahlstrom von lediglich 11 Pico-Ampere an. Ausgehend von der Klebestelle schnitten sie entlang der Seta an jeder Haarverzweigung einen Ast ab. Auf diese Weise reduzierten sie die Anzahl der Spatulae von ursprünglich mehreren hundert auf weniger als fünf.

Die Kraftmessungen selbst führten die Wissenschaftler an speziell präparierten Wafer-Oberflächen sowie an Glasplättchen bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit durch. Die erzeugten eher wasserliebenden oder wasserabweisenden Oberflächen unterschieden sich im Grad ihrer Benetzung. Bei den Messungen zeigte sich, dass je wasserliebender (hydrophiler) das Substrat ist, desto größer sind auch die Haftkräfte. Doch die geänderte Oberflächenchemie lässt für sich allein genommen noch keinen eindeutigen Schluss zu, welchen Einfluss die Kapillarkräfte im Unterschied zu den ebenfalls wirkenden van der Waals-Effekten haben. Hierzu bedurfte es noch zusätzlicher Haftexperimente bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten. Die Versuche zeigten, dass mit steigender Luftfeuchtigkeit auch die Kapillarkräfte anwachsen. Nur beide Ergebnisse zusammen genommen erklären, dass ultradünne Wasserschichten, wie sie zwischen einer Gecko-Spatula und jedwedem Substrat vorhanden sind, einen eindeutigen Einfluss auf die Stärke der Haftkräfte haben. Den Forschern gelang es zudem, die experimentell gewonnenen Daten mit Hilfe eines theoretischen Modells zu erklären.

Die neuen Forschungsergebnisse geben detaillierte Einblicke, welche Haftmechanismen auf der Nanometerskala an der Fußsohle eines Geckos wirken und helfen bei der Entwicklung neuartiger, wieder verwendbarer Klebebänder.

Originalveröffentlichung:

Huber, G., Mantz, H., Spolenak, R., Mecke, K., Jacobs, K., Gorb, S. and Arzt, E.
Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements
PNAS, vol. 102, no. 45, 16293 - 16296, 8. November 2005

Huber, G., Gorb, S., Spolenak, R. and Arzt, E.
Resolving the nanoscale adhesion of individual gecko spatulae by atomic force microscopy
Biol. Lett., vol. 1, no. 1, 2 - 4, 22. März 2005

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Gecko Haftkraft Haftsystem Luftfeuchtigkeit Spatulae

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neue Wirkstoffe aus dem Baukasten: Design und biotechnologische Produktion neuer Peptid-Wirkstoffe
13.12.2017 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

nachricht Bakterieller Kontrollmechanismus zur Anpassung an wechselnde Bedingungen
13.12.2017 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovativer Wasserbau im 21. Jahrhundert

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovativer Wasserbau im 21. Jahrhundert

13.12.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Neue Wirkstoffe aus dem Baukasten: Design und biotechnologische Produktion neuer Peptid-Wirkstoffe

13.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

Analyse komplexer Biosysteme mittels High-Performance-Computing

13.12.2017 | Informationstechnologie