Schaltbarer Gecko-Effekt

                 

Das Adhäsionsvermögen eines neuartigen Klebstoffs lässt sich mit einem Magnetfeld reversibel ausschalten.

Geckos können gleichermaßen an rauen wie an glatten Wänden hochklettern und sogar kopfüber an der Decke laufen. Dabei nutzen sie einen reversiblen Adhäsionsmechanismus, dem die van der Waals-Kraft zugrunde liegt. Zahllose nanometergroße Strukturen an der Unterseite der Zehen des Tieres sorgen bei Bedarf für das nötige Haftvermögen. Jetzt haben Forscher aus Deutschland und den USA einen Klebstoff entwickelt, der den Gecko-Effekt ausnutzt, wobei sich sein Haftvermögen mit einem Magnetfeld reversibel ausschalten lässt.

Die Forscher um Kimberly Turner von der UC Santa Barbara und Eduard Arzt vom Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken haben ein Material hergestellt, dessen Oberfläche ähnlich strukturiert ist wie die Zehenunterseite des Geckos. Die ist von 100 µm langen und 5 µm dicken Haaren sogenannten Setae bedeckt, die jeweils in 200 nm breiten und 5 nm dicken spachtelförmigen Strukturen oder Spatulae enden. Dank der flexiblen Setae kann der Gecko eine große Zahl von Spatulae direkt mit der Oberfläche in Kontakt bringen, an der sich das Tier festhalten will. Die van der Waals-Kraft zwischen den zahllosen Spatulae und der Oberfläche ist 8- bis 16-mal so groß wie das Gewicht des Tieres.

Abb.: Winzige Nickelpaddel mit nanometergroßen Polymerstäbchen bleiben aufgrund der van der Waals-Kraft an Oberflächen kleben – bis sie ein Magnetfeld davon ablöst.
(Bild: Advanced Materials)

Das jetzt vorgestellte, den Gecko-Effekt nutzende Material bestand aus vielen 130 µm langen und auf einer Unterlage befestigten Nickelbalken, die jeweils in einem kleinen Paddel endeten. Jedes dieser Paddel war mit zahllosen nanometergroßen Polymerstäbchen bedeckt, die wie die Spatulae des Geckos die van der Waals-Kraft nutzen konnten. Wurden die Paddel so auf eine Unterlage gedrückt, dass die Polymerstäbchen mit ihr in Kontakt kamen, so blieb das Material an der Unterlage haften. Dabei erreichte die Adhäsionskraft etwa das Anderthalbfache der Andruckkraft.

Der Gecko kann aber nicht nur an einer Oberfläche haften sondern sich auch wieder von ihr lösen. Durch Bewegung der Setae kann er die Spatulae von der Unterlage abheben und so die kurzreichweitigen Adhäsionskräfte überwinden. Das künstliche Gecko-Material funktionierte in ähnlicher Weise. Wurde es einem Magnetfeld ausgesetzt, so änderten die Nickelbalken in reversibler Weise ihre Form. Sie verdrillten sich, sodass an ihren Enden die Paddel verdreht wurden und nicht mehr der Oberfläche zugewandt waren. Dadurch verloren die meisten Polymerstäbchen den Kontakt mit der Oberfläche und die Adhäsionskraft verringerte sich um den Faktor 40. Nach Abschalten des Magnetfelds war das Material wieder so klebrig wie zu Beginn.

Die Forscher sind zuversichtlich, die im Vergleich zu den Geckozehen bescheidene Adhäsionsfähigkeit ihres klebrigen Materials noch deutlich erhöhen zu können. Dann sollten sich viele Anwendungen für diesen reversibel schaltbaren Klebstoff finden lassen, sowohl im Alltagsbereich als auch unter extremen Bedingungen. Denn dank des Gecko-Effekts haftet das Material praktisch an allen festen Oberflächen – und löst sich einfach auf Knopfdruck.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Michael T. Northen et al.: A Gecko-Inspired Reversible Adhesive. Adv. Mater. 20, 1 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1002/adma.200801340
• Programmbereich „Funktionelle Oberflächen“ am Leibniz-Institut für Neue Materialien:
  http://www.inm-technology.de/forschung/programmbereiche_arzt/funktionelle-oberflaechen/
• Gruppe von Kimberly Turner in Santa Barbara:
  http://www.me.ucsb.edu/~tmems/
• Gruppe von Kellar Autumn :
  http://www.lclark.edu/~autumn/dept/Welcome.html
  

Weitere Literatur:

• K. Autumn: How gecko toes stick. American Scientist 94, 124 (2006)
  https://webdisk.lclark.edu/xythoswfs/webui/_xy-1594799_1-t_d9VVAITO (frei!)
• Eduard Arzt, Stanislav Gorb, and Ralph Spolenak: From micro to nano contacts in biological attachment devices. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 10603 (2003)
  http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1534701100 (frei!)
• Kellar Autumn et al.: Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12252 (2002)
  http://dx.doi.org/10.1073/pnas.192252799 (frei!)
  

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