Erfolgsmodell: Haftung bei 180.000 Bildern pro Sekunde

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.

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