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 Neuer Therapieansatz fördert die Reparatur von Blutgefässen nach einem Hirnschlag
25.06.2019 | Universität Zürich

nachricht In der thermischen Molekül-Falle Neue Ansätze zur Erforschung der molekularen Ursachen der Amyloid-Bildung
25.06.2019 | Universität Leipzig

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: Einzelne Atome im Visier

Mit der NMR-Spektroskopie ist es in den letzten Jahrzehnten möglich geworden, die räumliche Struktur von chemischen und biochemischen Moleküle zu erfassen. ETH-Forschende haben nun einen Weg gefunden, wie man dieses Messprinzip auf einzelne Atome anwenden kann.

Die Kernspinresonanz-Spektroskopie – kurz NMR-Spektroskopie – ist eine der wichtigsten physikalisch-chemischen Untersuchungsmethoden. Damit lässt sich...

Im Focus: Partielle Mondfinsternis am 16./17. Juli 2019

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde (VdS) und des Hauses der Astronomie in Heidelberg - Wie im letzten Jahr findet auch 2019 eine in den späten Abendstunden in einer lauen Sommernacht gut zu beobachtende Mondfinsternis statt, und zwar in der Nacht vom 16. auf den 17. Juli. Die Finsternis ist zwar nur partiell - der Mond tritt also nicht vollständig in den Erdschatten ein - es ist aber für die nächsten Jahre die einzige gut sichtbare Mondfinsternis im deutschen Sprachraum.

Am Dienstagabend, den 16. Juli, wird ein kosmisches Schauspiel zu sehen sein: Der Vollmond taucht zu einem großen Teil in den Schatten der Erde ein, es findet...

Im Focus: Fraunhofer IDMT zeigt akustische Qualitätskontrolle auf der Fachmesse für Messtechnik »Sensor + Test 2019«

Das Ilmenauer Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT präsentiert vom 25. bis 27. Juni 2019 am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Stand 5-248) seine neue Lösung zur berührungslosen, akustischen Qualitätskontrolle von Werkstücken und Bauteilen. Da die Prüfung zerstörungsfrei funktioniert, kann teurer Prüfschrott vermieden werden. Das Prüfverfahren wird derzeit gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern im praktischen Einsatz erfolgreich getestet und hat das Technology Readiness Level (TRL) 6 erreicht.

Maschinenausfälle, Fertigungsfehler und teuren Prüfschrott reduzieren

Im Focus: Fraunhofer IDMT demonstrates its method for acoustic quality inspection at »Sensor+Test 2019« in Nürnberg

From June 25th to 27th 2019, the Fraunhofer Institute for Digital Media Technology IDMT in Ilmenau (Germany) will be presenting a new solution for acoustic quality inspection allowing contact-free, non-destructive testing of manufactured parts and components. The method which has reached Technology Readiness Level 6 already, is currently being successfully tested in practical use together with a number of industrial partners.

Reducing machine downtime, manufacturing defects, and excessive scrap

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovationstag NEULAND: Erfindungen zum Anfassen

26.06.2019 | Veranstaltungen

17. Internationale Conference on Carbon Dioxide Utilization in Aachen

25.06.2019 | Veranstaltungen

Meeresleuchten, Klimawandel, Küstenmeere Afrikas – Spannende Vielfalt bei „Warnemünder Abenden 2019“

24.06.2019 | Veranstaltungen

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

Robust, Sauber, Ausdauernd: Neuartige Mikro-KWK-Pilotanlage geht nach erfolgreichem Labor-Langzeitversuch in Feldtest

26.06.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Innovationstag NEULAND: Erfindungen zum Anfassen

26.06.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Der Dunklen Materie auf der Spur

26.06.2019 | Physik Astronomie

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