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Nano-Kontakte optimieren Haftung

25.05.2004


Optimale Haftung von Geckos und Insekten beruht auf Formoptimierung und Größenreduzierung der Haftkontakte, berichten Stuttgarter Max-Planck-Forscher


Abb. 1: Nano-skalige Fibrillenstrukturen in den haarigen Haftungsstrukturen von Käfer, Fliege, Spinne und Gecko. Die Zahl der Oberflächenhaare erhöht sich mit dem Körpergewicht der Tiere. Dabei verfügt der Gecko über die höchste Dichte unter allen bisher untersuchten Tierarten.
Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung/Gorb


Abb. 2: Die optimale Form für zwei sich berührende Materialien wird so definiert, dass sich bei Zugbelastung die Spannung konstant und gleichmäßig über der Fläche verteilt und auf diese Weise keine Spannungsüberhöhungen auftreten. Damit kann die maximal mögliche Haftkraft erreicht werden. Vom praktischen Standpunkt aus wird eine robuste optimale Haftung bei etwa100 Nanometern erreicht, wenn die Adhäsionsstärke nicht mehr von kleinen Abweichungen von der optimalen Form abhängt.
Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung



Die Haftstrukturen an den Füßen von Geckos und vielen Insekten bestehen aus nur wenige hundert Nanometer feinen Härchen. Diese Nanostrukturen haben sich vermutlich im Laufe der Evolution entwickelt haben, um die Haftung der Insekten auf Substraten zu optimieren. Dies zeigen jüngste Forschungen am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart: Danach hängt eine optimale Haftung davon ab, dass diese Härchen an ihren Kontaktflächen optimal geformt sind. Doch diese starke Formabhängigkeit kann durch eine Minimierung der Haftkontakte ausgeglichen werden. Denn unterhalb von 100 Nanometer haften die Kontakte optimal - unabhängig von Formveränderungen der Kontaktflächen. Eine optimale, fehlertolerante Haftung lässt sich also über eine Kombination aus Größenreduzierung und Formoptimierung erzielen. Dabei gilt: Je kleiner die charakteristische Größe des einzelnen Haftkontakts, desto weniger wichtig ist seine Form. Das macht auch plausibel, warum Haarkontakte von biologischen Haftungssystemen nur zwischen einigen hundert Nanometern und wenigen Mikrometern groß sind. Diese Erkenntnisse sind wichtig für das Design von Haftsystemen in der Technik. (PNAS, Early Edition, 17. Mai 2004).



Schweißen, Sintern, Diffusionsschweißen sowie neuartige Wafer-bonding-Technologien sind einige der am häufigsten verwendeten Methoden, um strukturell unterschiedliche Bauteile miteinander zu verbinden. Werden zwei Gegenstände durch Haftung oder Adhäsion verbunden, und dann externen Belastungen unterworfen, so können Spannungskonzentrationen in der Nähe der Verbindung auftreten. Erhöht sich die Last weiter, erreicht die Spannungsintensität schließlich ein kritisches Niveau und ein kleiner Riss entsteht. Dieser wird immer größer, bis die Verbindung schließlich bricht. Die Ursache liegt darin, dass nicht das ganze Material in die Haftung einbezogen ist, sondern nur ein kleiner Teil in der Nähe der Spannungskonzentration intensiv belastet wird und sich Risse ausbreiten. Wie man eine robuste und zuverlässige Adhäsion zwischen strukturell unterschiedlichen Bauteilen erreichen kann, ist für Ingenieure bislang ein wenig verstandenes Problem.

Deshalb sind Haftungsmechanismen, die über Jahrmillionen in der biologischen Evolution "erprobt" und verbessert wurden, nicht nur für Biologen, sondern auch für Ingenieure von Interesse. So haben Geckos und viele Insekten an ihren Füßen haarige Strukturen (so genannte spatulae), die als Haftungsvorrichtungen dienen. Hierbei stellte sich heraus, dass sich die Dichte der Oberflächenhaare mit dem Körpergewicht der Tiere erhöht. Unter allen Tierarten, die man bislang untersucht hat, haben Geckos die höchste Anzahl an spatulae pro Flächeneinheit. Sie sind - im Vergleich zu Fliegen und anderen Insekten - auch relativ schwere Tiere.

Diese biologischen Haftmechanismen hat man bisher mit ganz unterschiedlichen Konzepten erklärt, wie beispielsweise mit Kapillarkräften. Inzwischen aber wurde nachgewiesen, dass beim Haftmechanismus der Geckos die so genannten van der Waals-Kräften eine dominierende Rolle spielen. Van-der-Waals Kräfte sind, verglichen mit der Stärke richtiger Atombindungen, relativ schwache Wechselwirkungen. Diese Kräfte entstehen durch kurzzeitig auftretende asymmetrische Ladungsverteilungen um die Atome. Die Tatsache, dass Van-der-Waals-Kräfte eine dominierende Rolle spielen sollen, erscheint zunächst überraschend, denn wir brauchen eine viel größere Kraft, um einen Gecko von der Decke zu ziehen, als unsere Hand vom Tisch zu nehmen, und das, obwohl in beiden Fällen die gleiche van der Waals-Kraft wirkt. Damit stellt sich die Frage, was genau die Stärke der Haftung (Adhäsion) bestimmt. Die chemische Struktur der Materialien jedenfalls kann nicht erklären, warum die gleiche van der Waals-Kraft eine so starke Adhäsion beim Gecko, nicht aber beim Menschen ergibt. Anscheinend hat die Natur andere, ausgefeilte Mechanismen entwickelt, damit bestimmte Tierarten, für die Adhäsion das Überleben ermöglicht, die schwachen van der Waals-Kräfte nutzen können.

H. Gao und H. Yao vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart haben jetzt ein Modell für die Haftung zwischen einer einzelnen spatula und einem Substrat entwickelt, das auf van der Waals-Wechselwirkungen beruht. Danach hat die Form der Oberfläche einer spatula großen Einfluss auf die Stärke der Haftung, und ob dabei die maximale Haftkraft erreicht wird. Die Wissenschaftler zeigen, dass es eine besondere Form der spatulae gibt, bei der - unabhängig von ihrer Größe - in jedem Fall die maximale theoretische Haftkraft erreicht wird. Hat die spatula diese optimale Form, verteilt sich die Haftkraft gleichmäßig über die gesamte Berührungsfläche. Das entspricht optimaler Materialverwendung.

Doch warum wird eine solche optimale Form bislang in der Technik nicht verwendet? Ein Grund liegt sicherlich darin, dass die maximal erreichbare Haftkraft sehr empfindlich ist gegenüber kleinen Schwankungen in der Geometrie der Haftkontakte. So nimmt die Haftkraft bei einer Faser mit einem Radius von einem Millimeter um mehr als zwei Größenordnungen ab, wenn die Form der Faser nur um etwa ein bis zwei Prozent von ihrer optimalen Form abweicht. Doch die Forscher fanden heraus, dass diese Überempfindlichkeit gegenüber der Form interessanterweise durch Verkleinerung der Größe, also des Durchmessers der Faser, beseitigt werden kann. Verringert sich der Faserdurchmesser auf eine kritische Größe, erreicht die Haftkraft den maximalen theoretischen Wert, unabhängig von kleinen Veränderungen in ihrer Form. Die kritische Längenskala schätzen die Wissenschaftler auf circa 100 Nanometer.

Folglich kann man in der Natur und potenziell auch in der Technik eine optimale Haftung durch eine Kombination von Größenreduzierung und Formoptimierung erreichen. Dabei gilt: Je kleiner die Faser, desto weniger wichtig ist ihre Form. Sind dennoch große Berührungsflächen notwendig, so kann eine optimale Adhäsion erreicht werden, wenn es gelingt, die Form der Haftkontakte in ausreichender Präzision herzustellen. Vom praktischen Standpunkt aus ist es allerdings notwendig, die Berührungsgröße möglichst zu verkleinern, um eine robuste und gleichzeitig optimale Adhäsion zu erreichen. Dieser Zusammenhang zwischen Größenreduzierung und Formoptimierung könnte auch in der Technik wichtige Anwendungen finden.

Originalveröffentlichung:

H. Gao, H. Yao
Shape insensitive optimal adhesion of nanoscale fibrillar structures
Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 2004, Vol. 101, no. 21, pp. 7851-7856, Early Edition, published May 17, 2004, 10.1073/pnas.0400757101


Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Huajian Gao
Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
Tel.: 0711 689-3510
Fax: 0711 689-3512
E-Mail: hjgao@mf.mpg.de

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

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