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 Schweiss auf Knopfdruck beseitigen
19.11.2018 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht Gen-Radiergummi: Neuer Behandlungsansatz bei chronischen Erkrankungen
19.11.2018 | Universitätsmedizin Göttingen - Georg-August-Universität

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: InSight: Touchdown auf dem Mars

Am 26. November landet die NASA-Sonde InSight auf dem Mars. Erstmals wird sie die Stärke und Häufigkeit von Marsbeben messen.

Monatelanger Flug durchs All, flammender Abstieg durch die Reibungshitze der Atmosphäre und sanftes Aufsetzen auf der Oberfläche – siebenmal ist das Kunststück...

Im Focus: Weltweit erstmals Entstehung von chemischen Bindungen in Echtzeit beobachtet und simuliert

Einem Team von Physikern unter der Leitung von Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Universität Paderborn, und Prof. Dr. Martin Wolf, Fritz-Haber-Institut Berlin, ist ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben weltweit zum ersten Mal und „in Echtzeit“ die Änderung der Elektronenstruktur während einer chemischen Reaktion beobachtet. Mithilfe umfangreicher Computersimulationen haben die Wissenschaftler die Ursachen und Mechanismen der Elektronenumverteilung aufgeklärt und visualisiert. Ihre Ergebnisse wurden nun in der renommierten, interdisziplinären Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht.

„Chemische Reaktionen sind durch die Bildung bzw. den Bruch chemischer Bindungen zwischen Atomen und den damit verbundenen Änderungen atomarer Abstände...

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Personalisierte Implantologie – 32. Kongress der DGI

19.11.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz diskutiert digitale Innovationen für die öffentliche Verwaltung

19.11.2018 | Veranstaltungen

Naturkonstanten als Hauptdarsteller

19.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Gen-Radiergummi: Neuer Behandlungsansatz bei chronischen Erkrankungen

19.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Mit maschinellen Lernverfahren Anomalien frühzeitig erkennen und Schäden vermeiden

19.11.2018 | Informationstechnologie

Neuer Stall ermöglicht innovative Forschung für tiergerechte Haltungssysteme

19.11.2018 | Agrar- Forstwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics