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Materialforschung: Kleinstkuschel-Klebstoff

Klebstoff ist zwar eine nette Sache, einmal ausgehärtet aber nicht gerade ein Musterbeispiel für Wiederverwendbarkeit. Forscher mit dem Hang, Dinge immer mal wieder zu fixieren und zu lösen, träumen daher von einem recyclebaren Kleisterersatz aus der Natur und rücken ihrem Ziel immer dichter auf den Pelz.
GeckofußLaden...
Eins kann Spiderman beim Klettern über Wolkenkratzer-Abgründen gar nicht brauchen – Superkleber an den Händen. Gut, es beruhigt an der Außenseite des Fensters im 85. Stock enorm, fest – sehr fest – am Glas zu pappen. Derart anzementiert dem flinken Bösewicht hoch zur 86. Etage zu folgen, wird dann allerdings mühsam: Agile Kletterkünstler brauchen nicht nur sicheren Halt, sondern müssen auch mal loslassen können. Geckos haben dazu 500 000 Härchen mit jeweils Hunderten von Spatel-Stäbchen an flexiblen Fußsohlen.

Diese Minihaare und die spatelförmig aufgespreizten Härchenfächer, in denen sie auslaufen – die "Setae" und "Spakulae" – haben Biologen und Materialwissenschaftler mikroskopisch genau vermessen, um hinter das Geheimnis der Geckohaftung zu kommen und sie vielleicht einmal künstlich nachahmen zu können. Schnell war theoretisch klar: Die Ministrukturen haften am Untergrund wahrscheinlich mit Hilfe einer großen Zahl eigentlich schwacher Bindungen, die auf der Van-der-Waals-Kraft beruhen.

Das Geheimnis echter und künstlicher Gecko-HaftungLaden...
Das Geheimnis echter und künstlicher Gecko-Haftung | Die Oberfläche des Gecko-Fußes (A) ist mit Setae bedeckt, die in Spatulae auslaufen (im Detail B). Kohlenstoffnanoröhrchen können dieses Arrangement funktional offenbar ziemlich gut nachbilden: Eine feine Oberfläche von kleinen Röhrchenbündeln (D) dient als Spatulae-Ersatz, zusammengelagert bilden sie Setae-ähnliche Härchen. Damit diese Oberfläche haftet, müssen Durchmesser, aber auch die Länge der Röhrchen optimiert werden.
Die Kraft resultiert aus kurzzeitig ungleich verteilten Elektronen in Molekülen, die sich sehr nahe kommen. Wenn zufällig ein winziger elektrischer Dipol in Material A (Gecko) entsteht, dann reagieren die Elektronen des benachbarten Materials B (Hauswand) darauf, indem sie ebenfalls einen Dipol mit entgegengesetzter Ausrichtung bilden. So entstehen und vergehen rasend schnell und immer wieder sich anziehende Ladungsungleichgewichte, die im zeitlichen Mittel die Moleküle der beiden Materialien zusammenhalten – wobei eine einzige Van-der-Waals-Brücke getrost vernachlässigt werden kann, Milliarden dieser kleinen Brücken aber für eine bemerkenswerte Haftkraft sorgen.

Nähe schafft Verbindung

Das funktioniert unabhängig von den Molekülsorten – aber auch nur dann, wenn sich sehr viele Moleküle von Fuß und Wand großflächig nahe kommen. Große Kontaktfläche und extreme Annäherung sind also der Schlüssel zum Hafterfolg – und genau an diesen beiden Parameter drehen Nanotechnologen seit ein paar Jahren in der Praxis, um mit künstlichen Oberflächen Hafterfolge wie mit Geckofüßen zu erzielen. Der Fortschritt, von dem nun Ali Dhinojwala von der Universität von Akron und seine Kollegen berichten, beruht auf eben diesen Ansätzen: Die Forscher haben ihre Nano-Kopie der Geckofußoberflächenbeschichtung allerdings offenbar noch etwas geckoiger hinbekommen.

Die Idee der Forscher war erfrischend schlicht: Sie strebten einfach an, nicht nur den biologischen Setae ähnliche Nanoröhrchen von etwa 25 Mikrometern oder spatulaeische Härchen von 150 Nanometern Durchmesser auf Oberflächen zu packen – sondern, eben wie beim Gecko, sowohl die kleinen als auch die winzigen Strukturen, also beide Sorten.

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Haft-Härchen unter einem Geckofuß | Feinste Härchen (Setae) unter einem Geckofuß
Dazu richteten sie zunächst auf einer Fläche Bündel von Kohlenstoffröhrchen mit acht Nanometern Durchmesser zu einem gleichmäßigen Feld von Spatulae-Ersatzhärchen. So beschichtete Oberflächen haften zwar schon ganz gut, werden vom Geckofuß aber deutlich in den Schatten gestellt. Dann gruppierten die Forscher aber zusätzlich die künstlichen Spatulae ihrerseits zu größeren, vom Durchmesser her etwa Gecko-Setae-dimensionalen Bündeln – und probierten zudem verschiedene Längen dieser Kombiröhrchen aus. Am Ende bestand ein Teststreifen mit 200 Mikrometer langen Gecko-Ersatzhärchen eindrucksvoll einen Hafttest: Das Material kuschelt sich so fest an jedwede getestete Oberfläche, dass schon viermal so starke Kräfte wie beim Geckofuß vonnöten wären, um es abzulösen.

Loslassen können

Schön am Kunstgecko-Nanomaterial: Es lässt, anders als Tesa- oder sonstige klebebeschichteten, viskoelastischen Haftfilmvarianten, mit der Zeit nicht in seiner Wirkung nach. Im Prinzip könnte, rechnen die Forscher vor, ein damit optimiert beschichteter Gecko an einem Quadratzentimeter Fingerspitze bis in alle Ewigkeit ermüdungsfrei hängen – und dabei vier Kilo wiegen.

Und dann? Das Problem des Loslassens ist kein Problem, beruhigen Dhinojwala und Co am Ende noch mit ein paar abschließenden Versuchen – im Prinzip. Wichtig ist nur, den basalen Fuß- oder Klebestreifen-Untergrund, aus dem die Hafthärchen wachsen, subtil von einem Ende her aufrollen zu können. Dabei werden nach und nach die einzelnen schwachen Van-der-Waals-Kräfte gelöst – bis irgendwann eine Rissfront den Rest ruckartig freigibt. Das kann dann verschleißfrei wiederholt werden: Grundvoraussetzung für Spiderman-Hände wie die Super-Klebestreifen der Zukunft.
20.06.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 20.06.2007

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