Bionik: Klebrige Kunstfüße - auch unter Wasser
Geckos klettern scheinbar schwerelos glatte Wände empor, Muscheln kleben ihre Schalen im Wasser bombenfest an den Untergrund - und Wissenschaftler schauen neidisch auf solche tierischen Meisterleistungen. Nun setzen Forscher an, diese Fähigkeiten nicht nur nachzuahmen, sondern sie gar zu kombinieren.
© H. Lee, W. Lim & A.J. Kane (Ausschnitt)
Der Trick zum Wände hochlaufen liegt im engen Kontakt. Einfach die Pfote aufzusetzen, reicht da nicht. Und so haben Geckos als Meister der senkrechten Fortbewegung ganz spezielle Füße: Aufgefächert in Lamellen, Haare und Härchen schmiegt sich deren extrem große und flexible Oberfläche an den Untergrund an. Jede Erhebung, jeder Spalt, jeder Knick wird ausgefüllt – es liegt Molekül an Molekül und Atom an Atom. Auf der einen Seite der Geckofuß, auf der anderen die Wand. Ideale Bedingungen für ein Wechselspiel, das Wissenschaftler als van-der-Waals-Kraft bezeichnen: Die Elektronen in den Molekülen und Atomen synchronisieren ihre Bewegungen, sodass es zu einer elektrischen Anziehung zwischen ihnen und den ruhenden Kernen kommt. Im Einzelfall ein äußerst schwacher Effekt, in der Menge jedoch mehr als ausreichend, um ganze Geckos über Kopf an der Decke "kleben" zu lassen. Ohne jeden Klebstoff allerdings.
Solange alles trocken bleibt. Denn das filigrane Spiel zwischen Fußmolekülen und Wandatomen gerät ins Straucheln, wenn Wasser die elektrischen Nanokräfte stört. Selbst feinste Wasserfilme verhindern den direkten Kontakt, der für die van-der-Waals-Wirkung so wichtig ist – und der Gecko stürzt wegen Aquaplanings herunter. Sein Haftsystem ist eben nicht wasserfest. Ein Nachteil, den auch etliche künstliche Klebstoffe teilen.
Doch für das Kleben unter Wasser hat die Natur längst eine Lösung gefunden, wusste ein Team von Wissenschaftlern um Phillip Messersmith von der US-amerikanischen Northwestern University. Der Professor für Biomedizin-Technik untersuchte seit Jahren die Produkte von besonders erfolgreichen U-Klebern: Muscheln heften sich mit speziellen Proteinen an Felsen und Schiffsrümpfe. Messersmiths Gruppe hatte nach diesem Vorbild ein ganz ähnliches Polymer synthetisch hergestellt, das reich an der Aminosäure 3,4-L-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) ist. Die Anschmiegsamkeit des Geckofußes und die wassertrotzende Kontaktfreude des Muschel-DOPAs sollten folglich eine anhängliche Allianz ergeben. Schnell zu bilden, auch im Nassen, mühelos wieder abziehbar – und nach dem Gebrauch frisch wie neu für den nächsten Einsatz.
Ob sich diese theoretischen Überlegungen tatsächlich in die experimentelle Praxis umsetzen ließen, prüften die Forscher an einem Modell. Mit Hilfe der Elektronenstrahllithografie, die sonst eher in der Elektronik für kleinste Bauteile genutzt wird, erstellten sie eine strukturierte Siliziumform, die sie mit einem flexiblen Silikon ausgossen. Es entstanden wenige Millimeter dicke Filme mit 600 Nanometer tiefen Mulden und 400 Nanometer breiten Stegen. Diese vereinfachte Version eines Geckofußes überzogen sie mit einem muschelähnlichen Polymer und testeten die Haftstärke im Rasterkraftmikroskop.
Wirklich zeigte sich das "Geckel" genannte Verbundmaterial als recht anhänglich. Im feuchten Zustand hielt es die Testspitze des Mikroskops 15-mal so fest wie eine Vergleichsprobe ohne Muschelpolymer. Und auch trocken war es etwa dreimal so haftend. Normiert auf die gleiche Fläche erreichte es sogar die Vorgaben natürlicher Geckozehen. Selbst nach über tausend Klebezyklen waren noch 85 Prozent der Haftkraft im Wasser und 98 Prozent im Trockenen erhalten – andere Adhäsionsstoffe auf van-der-Waals-Basis machten hingegen schon nach wenigen Verwendungen schlapp.
Bislang hat Geckel seine Fähigkeiten aber nur im Mikromaßstab bewiesen. Nun gilt es, die Produktion und Verarbeitung auf einer größeren Skala in Angriff zu nehmen. Sollte es dann vergleichbare Eigenschaften aufweisen, könnte es schon bald seinen Weg in die medizinische Technik finden – beispielsweise als wasserfester Kleber für Pflaster und Bandagen, der sich dennoch problemlos abziehen ließe. Oder vielleicht als Überzug von Schiffsrümpfen, der im Trockendock schnell ausgetauscht werden kann, mitsamt der angesiedelten Muscheln. Obwohl das sicherlich wenig dankbar gegenüber den Erfindern des wasserfesten Klebers wäre.
Solange alles trocken bleibt. Denn das filigrane Spiel zwischen Fußmolekülen und Wandatomen gerät ins Straucheln, wenn Wasser die elektrischen Nanokräfte stört. Selbst feinste Wasserfilme verhindern den direkten Kontakt, der für die van-der-Waals-Wirkung so wichtig ist – und der Gecko stürzt wegen Aquaplanings herunter. Sein Haftsystem ist eben nicht wasserfest. Ein Nachteil, den auch etliche künstliche Klebstoffe teilen.
Doch für das Kleben unter Wasser hat die Natur längst eine Lösung gefunden, wusste ein Team von Wissenschaftlern um Phillip Messersmith von der US-amerikanischen Northwestern University. Der Professor für Biomedizin-Technik untersuchte seit Jahren die Produkte von besonders erfolgreichen U-Klebern: Muscheln heften sich mit speziellen Proteinen an Felsen und Schiffsrümpfe. Messersmiths Gruppe hatte nach diesem Vorbild ein ganz ähnliches Polymer synthetisch hergestellt, das reich an der Aminosäure 3,4-L-Dihydroxyphenylalanin (DOPA) ist. Die Anschmiegsamkeit des Geckofußes und die wassertrotzende Kontaktfreude des Muschel-DOPAs sollten folglich eine anhängliche Allianz ergeben. Schnell zu bilden, auch im Nassen, mühelos wieder abziehbar – und nach dem Gebrauch frisch wie neu für den nächsten Einsatz.
Ob sich diese theoretischen Überlegungen tatsächlich in die experimentelle Praxis umsetzen ließen, prüften die Forscher an einem Modell. Mit Hilfe der Elektronenstrahllithografie, die sonst eher in der Elektronik für kleinste Bauteile genutzt wird, erstellten sie eine strukturierte Siliziumform, die sie mit einem flexiblen Silikon ausgossen. Es entstanden wenige Millimeter dicke Filme mit 600 Nanometer tiefen Mulden und 400 Nanometer breiten Stegen. Diese vereinfachte Version eines Geckofußes überzogen sie mit einem muschelähnlichen Polymer und testeten die Haftstärke im Rasterkraftmikroskop.
Wirklich zeigte sich das "Geckel" genannte Verbundmaterial als recht anhänglich. Im feuchten Zustand hielt es die Testspitze des Mikroskops 15-mal so fest wie eine Vergleichsprobe ohne Muschelpolymer. Und auch trocken war es etwa dreimal so haftend. Normiert auf die gleiche Fläche erreichte es sogar die Vorgaben natürlicher Geckozehen. Selbst nach über tausend Klebezyklen waren noch 85 Prozent der Haftkraft im Wasser und 98 Prozent im Trockenen erhalten – andere Adhäsionsstoffe auf van-der-Waals-Basis machten hingegen schon nach wenigen Verwendungen schlapp.
Bislang hat Geckel seine Fähigkeiten aber nur im Mikromaßstab bewiesen. Nun gilt es, die Produktion und Verarbeitung auf einer größeren Skala in Angriff zu nehmen. Sollte es dann vergleichbare Eigenschaften aufweisen, könnte es schon bald seinen Weg in die medizinische Technik finden – beispielsweise als wasserfester Kleber für Pflaster und Bandagen, der sich dennoch problemlos abziehen ließe. Oder vielleicht als Überzug von Schiffsrümpfen, der im Trockendock schnell ausgetauscht werden kann, mitsamt der angesiedelten Muscheln. Obwohl das sicherlich wenig dankbar gegenüber den Erfindern des wasserfesten Klebers wäre.
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