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Forscher der Universität Massachusetts haben einen Klebstoff entwickelt, der so stark ist, dass ein postkartengroßes Stück ein Gewicht von bis zu 300 kg halten kann.
Die Forscher haben sich dabei vom Gecko, einer Art Eidechse, inspirieren lassen, der auf glatten Flächen selbst mit dem Kopf nach unten klettern kann. Diese Fähigkeit verdanken die Reptilien der Struktur ihrer Füße.
Feine Fußhärchen helfen beim Haften auf glatten Flächen
Die Gecko-Füße enthalten nämlich Millionen kleiner Fußhärchen, „Setae“ genannt, die biegsam sind und einen engen Kontakt mit der Oberfläche ermöglichen. Wenn die Härchen auf die Oberfläche gedrückt werden, wirken Kräfte zwischen den Molekülen der Oberfläche und denen des Gecko-Fußes. Diese Kräfte sind zwar nicht sehr stark, erzeugen jedoch eine starke Haftwirkung. Denn selbst, wenn die einzelne Wechselwirkung schwach ist, wird die Wirkung durch die große Anzahl der Setae auf den Füßen des Tieres vervielfacht.
Das bedeutet, dass schon durch eine winzige Änderung des Winkels, in dem sich Härchen und Oberfläche berühren, die Härchen abgelöst werden, ohne Spuren zu hinterlassen. Und dieser Vorgang kann unendlich oft wiederholt werden.
Gecko-Füße im Labor nachahmen
Zahlreiche Forscher haben versucht, die Mikrostruktur der Gecko-Füße nachzuempfinden. Dafür verwendeten sie synthetische Setae (auf Grundlage von Polymeren), die die Funktionsweise der natürlichen Setae nachahmen.
An der Universität Stanford arbeitet Elliot Hawkes mit einem Team von Ingenieuren daran, diese Technologie für Kletter-Handschuhe zu verwenden (etwa so wie die, die Tom Cruise in Mission Impossible 4 verwendet, um den Burj Khalifa emporzuklettern).
„Wenn die Handschuhe die Oberfläche zum ersten Mal berühren, kommen nur die Spitzen (der Setae) in Kontakt mit der Fläche, und es klebt nicht“, erklärte Eric Eason, der angewandte Physik in Stanford studiert. „Aber sobald eine Kraft einwirkt, flachen die Setae ab und kommen in Kontakt mit der Fläche, und das schafft die Haftkraft.“
Dieser Kleber kann also auf Kommando aktiviert und deaktiviert werden, und das mit wenig Energieverlust. Es reicht, die auf das System einwirkende Kraft wegzunehmen, und sofort löst sich die Haftung, ohne Spuren zu hinterlassen.
Diese Klettertechnik könnte beim Militär eingesetzt werden, oder etwa von Feuerwehrleuten, die beispielsweise Menschen bei einem Brand retten müssen.
„Trockene“ Haftwirkung
Hafttechniken, die „sauber“ kleben, werden auch „trocken“ genannt, weil keine Substanz (wie Klebstoff) zwischen den Flächen aufgebracht werden muss, die zusammengefügt werden sollen, damit sie aneinanderhaften. Die Haftung entsteht durch eine umkehrbare chemische Wechselwirkung zwischen den Molekülen der zwei Oberflächen. In diesem Fall ist es die schwache Van der Waals-Kraft.
Es könnten jedoch auch andere umkehrbare chemische Wechselwirkungen eingesetzt werden, um dasselbe Ziel zu erreichen – nicht unbedingt, um Mauern emporzuklettern, sondern auch für andere Anwendungen. Ein weiteres Beispiel ist die Diels-Alder-Reaktion. Sie ermöglicht starke Wechselwirkungen zwischen Molekülen (kovalente Bindungen), die durch einfaches Erhitzen gelöst werden können. Anton Manakhov konnte im Rahmen seiner Doktorarbeit am Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) zeigen, dass mit dieser Reaktion eine starke, aber umkehrbare Haftwirkung erreicht werden kann.
Da die Wechselwirkungen so stark sind, müssen keine Härchen auf die Oberfläche aufgebracht werden, um eine starke Haftwirkung zu erreichen. Es genügt, die Funktionen auf der Oberfläche zu erzeugen, die die chemischen Bindungen eingehen können. Am LIST wurde dies erreicht durch Plasmapolymerisation unter Atmosphärendruck. Diese Technik kann in der Industrie problemlos für größere Mengen eingesetzt werden, was das Verfahren interessant für die Entwicklung von alltagstauglichen Klebstoffen macht.
Autorin: Lilia Hassouna
Editorin: Michèle Weber (FNR)
Foto: Joschi71 über Wikimedia Commons
Infobox
- Hawkes, E. W., Eason, E. V, Christensen, D. L. & Cutkosky, M. R. Human climbing with efficiently scaled gecko-inspired dry adhesives. J. R. Soc. Interface 12, 20140675 (2015).
- Bartlett, M. D. et al. Looking Beyond Fibrillar Features to Scale Gecko-Like Adhesion. Adv. Mater. 24, 1078–1083 (2012).
- Manakhov, A “Towards the thermally reversible adhesion between metallic and polymeric surfaces functionalized by atmospheric plasma polymerization and gas phase reactions”, PhD thesis, university of Namur (Belgium), 2012.
