Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

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/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund
22.06.2018 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

nachricht Nah dran an der Fiktion: Die Außenhaut für das Raumschiff „Enterprise“?
22.06.2018 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

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

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

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