19.07.2007
Klebt super!
Ein neuer Superkleber nutzt die Hafttechniken von Gecko und Muschel.
Geckel – ein neuer Superkleber nutzt die Hafttechniken von Geckos und Muschel
Evanston (USA) – Mit Millionen feiner Härchen, den Spatulae, halten sich Geckos selbst über Kopf auf glatten Glasscheiben fest. Mit Erfolg konnte diese auf Adhäsion beruhende Hafttechnik bereits mit künstlichen Nanostrukturen imitiert werden. Doch da bei Feuchtigkeit die Haftkraft stark eingeschränkt wird, griffen amerikanische Forscher nun zusätzlich zu einer Art Klebstoff, mit denen sich Muscheln an ihren Bänken fixieren. Über die Kombination beider natürlichen Vorbilder in einem neuen Superklebstoff berichten sie in der Zeitschrift "Nature".
Abb.: Ein Gecko auf einer Muschel © H. Lee, W. Lim & A.J. Kane.
"Dieser Werkstoff ist sinnvoll für reversible Befestigungen auf einer Vielzahl von Oberflächen in jeder Umgebung", sagt Phillip Messersmith von der Northwestern University in Evanston. "Geckel" – eine Wortschöpfung aus "gecko" und "mussel" – hält sowohl in trockener Umgebung als auch unter Wasser. Mit lithografischen Verfahren strukturierten die Forscher eine Siliziumfläche. Wie eine Aufnahme eines Rasterkraftmikroskops zeigt, entstanden dabei tausende winziger Pfeiler mit einer Höhe von 600 und einem Durchmesser von 400 Nanometern. Ihr Abstand beträgt jeweils etwa 1 Mikrometer.
Schon ohne eine Beschichtung mit einem Muschelkleber erreicht diese Schicht pro Nanopfeiler eine Adhäsionskraft von knapp 40 Nanonewton. Zum Vergleich: eine ähnlich große Haarspalte, eine Gecko-Spatula, kommt auf etwa 10 Nanonewton. Nur unter Wasser und in feuchter Umgebung sackt diese Haftfähigkeit, die auf van-der Waals-Kraft beruht, auf gerade mal sechs Nanonewton ab. Ganz anders sieht es mit einer zusätzlichen Beschichtung aus.
Um auch unter Wasser stabil zu halten, beschichteten die Forscher ihre künstlichen Silizium-Pfeiler mit einem Polymer, dass auf einem Klebeprotein der Muscheln (3,4-L-Dihydroxyphenylalanin) aufbaut. So konnten sie die Haftkraft in nasser Umgebung um das 15-fache auf 86 Nanonewton steigern. Auch auf trockenen Oberflächen vierfacht "Geckel" die Adhäsionskräfte pro Siliziumpfeiler.
Messersmiths Versuche zeigten, dass eine einen Quadratzentimeter große Geckel-Fläche unter Wasser eine Haftkraft von etwa neun Newton aufbauen kann. Im Unterschied zu ultrafesten Klebstoffen lässt sich dieses neue Material wie ein Post-It-Klebezettel viele Male lösen und wieder verwenden. Selbst nach 1000 Kontaktzyklen hafteten der nanostrukturiere Werkstoff zuverlässig. Sind mit diesen reversiblen Klebstoff zahlreiche Anwendungen in Industrie und Technik vorstellbar, konzentrieren sich Messersmith und Kollegen auf biomedizinische Anwendungen. Besser als jeder verfügbare Klebstoff soll "Geckel" einmal Wunden dauerhaft verschließen können. Bis dahin wollen die Forscher ein Herstellungsverfahren für großflächige "Geckel"-Folien entwickeln.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos:
Weiterführende Literatur:
Abb.: Ein Gecko auf einer Muschel © H. Lee, W. Lim & A.J. Kane.
"Dieser Werkstoff ist sinnvoll für reversible Befestigungen auf einer Vielzahl von Oberflächen in jeder Umgebung", sagt Phillip Messersmith von der Northwestern University in Evanston. "Geckel" – eine Wortschöpfung aus "gecko" und "mussel" – hält sowohl in trockener Umgebung als auch unter Wasser. Mit lithografischen Verfahren strukturierten die Forscher eine Siliziumfläche. Wie eine Aufnahme eines Rasterkraftmikroskops zeigt, entstanden dabei tausende winziger Pfeiler mit einer Höhe von 600 und einem Durchmesser von 400 Nanometern. Ihr Abstand beträgt jeweils etwa 1 Mikrometer.
Schon ohne eine Beschichtung mit einem Muschelkleber erreicht diese Schicht pro Nanopfeiler eine Adhäsionskraft von knapp 40 Nanonewton. Zum Vergleich: eine ähnlich große Haarspalte, eine Gecko-Spatula, kommt auf etwa 10 Nanonewton. Nur unter Wasser und in feuchter Umgebung sackt diese Haftfähigkeit, die auf van-der Waals-Kraft beruht, auf gerade mal sechs Nanonewton ab. Ganz anders sieht es mit einer zusätzlichen Beschichtung aus.
Um auch unter Wasser stabil zu halten, beschichteten die Forscher ihre künstlichen Silizium-Pfeiler mit einem Polymer, dass auf einem Klebeprotein der Muscheln (3,4-L-Dihydroxyphenylalanin) aufbaut. So konnten sie die Haftkraft in nasser Umgebung um das 15-fache auf 86 Nanonewton steigern. Auch auf trockenen Oberflächen vierfacht "Geckel" die Adhäsionskräfte pro Siliziumpfeiler.
Messersmiths Versuche zeigten, dass eine einen Quadratzentimeter große Geckel-Fläche unter Wasser eine Haftkraft von etwa neun Newton aufbauen kann. Im Unterschied zu ultrafesten Klebstoffen lässt sich dieses neue Material wie ein Post-It-Klebezettel viele Male lösen und wieder verwenden. Selbst nach 1000 Kontaktzyklen hafteten der nanostrukturiere Werkstoff zuverlässig. Sind mit diesen reversiblen Klebstoff zahlreiche Anwendungen in Industrie und Technik vorstellbar, konzentrieren sich Messersmith und Kollegen auf biomedizinische Anwendungen. Besser als jeder verfügbare Klebstoff soll "Geckel" einmal Wunden dauerhaft verschließen können. Bis dahin wollen die Forscher ein Herstellungsverfahren für großflächige "Geckel"-Folien entwickeln.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos:
- "A reversible wet/dry adhesive inspired by mussels and geckos", Haeshin Lee et al., Nature, Vol. 448, S. 338
- Northwestern University, Evanston, IL, USA: http://www.northwestern.edu
- McCormick School of Engineering: http://www.mccormick.northwestern.edu/
Weiterführende Literatur:
- Geim, A. K. et al. Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair. Nature Mater. 2, 461–463 (2003).
- Northen, M. T. & Turner, K. L. A batch fabricated biomimetic dry adhesive. Nanotechnology 16, 1159–1166 (2005).
- Sitti, M. & Fearing, R. Synthetic gecko foot-hair micro/nano-structures as dry adhesives. J. Adhes. Sci. Technol. 17, 1055–1073 (2003).
- Waite, J. H. Adhesion a la moule. Integr. Comp. Biol. 42, 1172–1180 (2002).
