Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erfolgsmodell: Haftung bei 180.000 Bildern pro Sekunde

14.10.2013
Wissenschaftler der Uni Kiel entschlüsseln Erfolgsmodell natürlicher Haftung

Haftung ist ein extrem wichtiger Effekt in der Natur. Geckos, Spinnen und Insekten können Wände hoch laufen, Pflanzen an ihnen empor ranken und selbst Zellen auf Oberflächen haften.


Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von pilzkopfförmigen Haftstrukturen eines männlichen Blattkäfers (links) und des Gecko®-Tapes (rechts), dessen Haftelemente denen des Käfers nachempfunden sind.

Foto/Copyright: Stanislav N. Gorb

Im Laufe der Evolution haben sich bei ihnen pilzkopfförmige Füße und Organe mit optimalen Hafteigenschaften herausgebildet und weit verbreitet. Wissenschaftler um Lars Heepe an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun herausgefunden, warum diese spezielle Form die natürlichen Haftorgane so erfolgreich macht: Sie sorgt für eine gleichmäßige Spannungsverteilung zwischen Oberfläche und Haftelement.

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Neben der Rauheit der Oberflächen bestimmt insbesondere auch die Form beziehungsweise die Geometrie des Kontaktes maßgeblich, wie stark etwas haftet. In der Natur hat sich vor allem die pilzkopfförmige Haftgeometrie durchgesetzt. Sowohl auf der Nano-, Mikro- und Makroskala hat sie sich bei verschiedenen auf dem Land und im Wasser lebenden Organismen unabhängig voneinander entwickelt. Beispiele reichen dabei von der Haftung des Bakteriums Caulobacter crescentus an Oberflächen (Nano), über die pilzkopfförmigen Hafthaare einiger männlicher Blattkäfer (Mikro) bis hin zu Jungfernreben (Parthenocissus) (Makro). „Diese spezielle Kontaktgeometrie ist unabhängig voneinander entstanden. Das weist auf eine evolutionäre Anpassung der Organismen hin, die ihre Haftung immer weiter verbessert“, sagt Stanislav Gorb, Biologe am Zoologischen Institut der CAU.

Was aber sind eigentlich die mechanischen Vorteile dieser Pilzkopfform? Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, nahm sich das interdisziplinäre Forscherteam, bestehend aus dem Physikingenieur Lars Heepe, dem Biophysiker Alexander Kovalev, dem theoretischen Physiker Alexander Filippov und dem Biologen Stanislav Gorb eine an der Universität Kiel in Zusammenarbeit mit der Gottlieb Binder GmbH entwickelte Haftfolie, das sogenannte Gecko®-Tape, vor. Dessen mikroskopisch kleine Haftelemente sind den Füßen von Geckos und Blattkäfern nachempfunden, kleben sogar auf feuchten und rutschigen Untergründen, lassen sich immer wieder verwenden und rückstandsfrei wieder ablösen.

„Das Ablöseverhalten der einzelnen pilzkopfförmigen Mikrostrukturen haben wir uns, zeitlich und räumlich mit höchster Auflösung, unterm Mikroskop angesehen“, sagt Heepe. Dafür haben die Forscher den Ablöseprozess der individuellen Mikrostrukturen mit 180.000 Bildern pro Sekunde aufgenommen. „Dabei zeigte sich, dass der eigentliche Moment des Ablösens, also der Zeitraum von der Entstehung eines Defekts in der Kontaktfläche bis zur vollständigen Ablösung, nur wenige Mikrosekunden lang ist.“ Der Kontakt reißt dabei mit bis zu 60 Prozent der Schallgeschwindigkeit des Haftmaterials, das sind etwa zwölf Meter pro Sekunde, ab. „Das ist nur möglich, wenn zwischen dem pilzkopfförmigen Haftelement und dem Untergrund eine einheitliche Spannungsverteilung vorherrscht“, erklärt Heepe. Nur dadurch könne während des Ablösevorgangs so viel elastische Energie gespeichert werden, dass in dieser kurzen Zeit solche hohen Geschwindigkeiten erreicht würden.

Andere Haftgeometrien, wie zum Beispiel die Stempelgeometrie, erzeugen Spannungskonzentrationen und lösen sich an den Kanten ab. Dagegen verhindert die dünne Haftplatte bei den Pilzköpfen, wie beim künstlich hergestellten Gecko®-Tape, solche Spannungsspitzen und löst sich daher von innen nach außen ab. Dafür muss viel Kraft aufgewendet werden – entsprechend stark ist die Haftung.

„Mit unseren Experimenten haben wir einen wichtigen Effekt eines in der Natur sehr erfolgreichen Haftmechanismus entschlüsseln können“, fasst Heepe die Arbeit des interdisziplinären CAU-Teams zusammen. Sie bestätigten zudem durch ihre Hochgeschwindigkeitsanalyse auch ein von einer italienischen Forschergruppe kürzlich vorgestelltes theoretisches Modell.

Die Erkenntnisse der Kieler Studie dienen nicht nur als Grundlage, um bestehende Haftstrukturen weiterzuentwickeln und zu verbessern. Mit ihnen kommen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ auch einem ihrer erklärten Ziele ein Stück näher: Sie wollen photoschaltbare Haftsysteme schaffen, welche sich durch Licht bestimmter Wellenlängen in einen Haft- und Antihaftzustand versetzen lassen können.

Originalpublikation:
Adhesion Failure at 180.000 Frames per Second: Direct Observation of the Detachment Process of a Mushroom-Shaped Adhesive; Lars Heepe, Alexander E. Kovalev, Alexander E. Filippov & Stanislav N. Gorb; Physical Review Letters 111: 104301; doi: 10.1103/PhysRevLett.111.104301
Bilder stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-291-1.jpg
Bildunterschrift: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von pilzkopfförmigen Haftstrukturen eines männlichen Blattkäfers (links) und des Gecko®-Tapes (rechts), dessen Haftelemente denen des Käfers nachempfunden sind.

Foto/Copyright: Stanislav N. Gorb

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-291-2.jpg
Bildunterschrift: Ablöse zweier unterschiedlich mikrostrukturierter Haftfolien. Obwohl das Ablösen auf makroskopischer Ebene ähnlich ist, dargestellt durch die Schattierung zwischen den einzelnen Strukturen (hell: Ablösen; dunkel: in Kontakt), unterscheidet sich das Ablöseverhalten auf Ebene einzelner Strukturen erheblich. (a) in der flachen Stempelgeometrie erfolgt die Ablöse vom Umfang der Strukturen durch Spannungskonzentrationen an den Kanten (siehe Einsatz). (b) die dünne Haftplatte der pilzkopfförmigen Elemente verhindert diese Spannungskonzentrationen und sorgt für eine homogene Spannungsverteilung (siehe Einsatz). Daher lösen sich diese Strukturen von innen nach außen ab.

Foto/Copyright: Heepe et al., Physical Review Letters (2013)

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-291-3.jpg
Bildunterschrift: (a-c) Drei verschiedene einzelne pilzkopfförmige Haftelemente des Gecko®-Tapes in Kontakt mit Glas (dunkle Bereiche). (d-f) Zeitlich farbkodierte Ablösekarte der Haftelemente aus (a-c). Blaue Bereiche lösen sich zuerst, Rote zuletzt und Bereiche gleicher Farbe lösen sich zur gleichen Zeit. (g-i) farbkodierte Geschwindigkeitskarte der lokalen Rissausbreitungsgeschwindigkeiten. Der Skalierungsbalken von 10 Mikrometern gilt für alle Bilder.

Foto/Copyright: Heepe et al., Physical Review Letters (2013)

Kontakt:
Lars Heepe
Funktionelle Morphologie und Biomechanik
Zoologisches Institut
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Am Botanischen Garten 1-9
24118 Kiel
Tel.: 0431/880 4859
E-Mail: lheepe@zoologie.uni-kiel.de

Dr. Boris Pawlowski | Uni Kiel
Weitere Informationen:
http://www.uni-kiel.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen
27.06.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Latest News

Predicting eruptions using satellites and math

28.06.2017 | Earth Sciences

Extremely fine measurements of motion in orbiting supermassive black holes

28.06.2017 | Physics and Astronomy

Touch Displays WAY-AX and WAY-DX by WayCon

27.06.2017 | Power and Electrical Engineering