Wissenschaftler entschlüsseln Erfolgsmodell natürlicher Haftorgane Haftung bei 180.000 Bildern pro Sekunde - scinexx | Das Wissensmagazin
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Wissenschaftler entschlüsseln Erfolgsmodell natürlicher Haftorgane

Haftung bei 180.000 Bildern pro Sekunde

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von pilzkopfförmigen Haftstrukturen eines männlichen Blattkäfers (links) und des Gecko®-Tapes (rechts), dessen Haftelemente denen des Käfers nachempfunden sind. © Stanislav N. Gorb

Haftung ist ein extrem wichtiger Effekt in der Natur. Geckos, Spinnen und Insekten können Wände hoch laufen, Pflanzen an ihnen empor ranken und selbst Zellen können auf Oberflächen haften. Im Laufe der Evolution haben sich bei vielen Arten pilzkopfförmige Füße und Organe mit optimalen Hafteigenschaften herausgebildet. Wissenschaftler aus Kiel haben nun herausgefunden, warum diese spezielle Form die natürlichen Haftorgane so erfolgreich macht: Sie sorgt für eine gleichmäßige Spannungsverteilung zwischen Oberfläche und Haftelement. Dieses Ergebnis veröffentlichten die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Von Bakterien bis Weinranken

Neben der Rauheit der Oberflächen bestimmt insbesondere die Form des Kontaktes maßgeblich, wie stark etwas haftet. In der Natur hat sich vor allem die pilzkopfförmige Haftgeometrie durchgesetzt. Dabei erinnert die Form der einzelnen Haftkontakte an Saugnäpfe. Beispiele reichen von der Haftung des Bakteriums Caulobacter crescentus an Oberflächen, über die pilzkopfförmigen Hafthaare einiger männlicher Blattkäfer bis hin zu den Ranken des wilden Weins. „Diese spezielle Kontaktgeometrie ist unabhängig voneinander entstanden. Das weist auf eine evolutionäre Anpassung der Organismen hin, die ihre Haftung immer weiter verbessert“, sagt Co-Autor Stanislav Gorb, Biologe ander Christian-Albrechts-Universität in Kiel.

Was aber sind die mechanischen Vorteile dieser Pilzkopfform? Dieser Frage ging das interdisziplinäre Forscherteam um Physikingenieur Lars Heepe in Kiel auf den Grund. Die Gruppe nahm sich das sogenannte Gecko®-Tape vor, eine an der Universität Kiel in Zusammenarbeit mit der Gottlieb Binder GmbH entwickelte Haftfolie. Deren Haftelemente mit einem Durchmesser von etwa 20 Mikrometern sind den Füßen von Geckos und Blattkäfern nachempfunden. Sie kleben sogar auf feuchten und rutschigen Untergründen und lassen sich immer wieder verwenden und rückstandsfrei wieder ablösen.

Ablöse zweier unterschiedlich mikrostrukturierter Haftfolien. Obwohl das Ablösen auf makroskopischer Ebene ähnlich ist, dargestellt durch die Schattierung zwischen den einzelnen Strukturen (hell: Ablösen; dunkel: in Kontakt), unterscheidet sich das Ablöseverhalten auf Ebene einzelner Strukturen erheblich. (a) in der flachen Stempelgeometrie erfolgt die Ablöse vom Umfang der Strukturen durch Spannungskonzentrationen an den Kanten (siehe Einsatz). (b) die dünne Haftplatte der pilzkopfförmigen Elemente verhindert diese Spannungskonzentrationen und sorgt für eine homogene Spannungsverteilung (siehe Einsatz). Daher lösen sich diese Strukturen von innen nach außen ab. © Heepe et al. / Physical Review Letters

Die Forscher haben den Ablöseprozess der individuellen Mikrostrukturen unter dem Mikroskop in höchster Auflösung und mit 180.000 Bildern pro Sekunde aufgenommen. „Dabei zeigte sich, dass der eigentliche Moment des Ablösens, also der Zeitraum von der Entstehung eines Defekts in der Kontaktfläche bis zur vollständigen Ablösung, nur wenige Mikrosekunden lang ist“, sagt Heepe. Der Kontakt reißt dabei mit bis zu zwölf Metern pro Sekunde ab, eine bemerkenswert hohe Geschwindigkeit in einem so kurzen Zeitraum.

Einheitliche Spannung sorgt für Halt

„Das ist nur möglich, wenn zwischen dem pilzkopfförmigen Haftelement und dem Untergrund eine einheitliche Spannungsverteilung vorherrscht“, erklärt Heepe. Nur dadurch könne während des Ablösevorgangs die nötige elastische Energie für solche Geschwindigkeiten gespeichert werden. Denn andere Haftgeometrien, wie zum Beispiel stempelförmige Kontaktstellen, erzeugen lokale Spannungskonzentrationen und lösen sich zuerst an den Kanten ab.

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Dagegen verhindert die dünne Haftplatte bei den Pilzköpfen, wie beim künstlich hergestellten Gecko®-Tape, solche Spannungsspitzen und löst sich daher von innen nach außen ab. Dafür muss viel Kraft aufgewendet werden – entsprechend stark ist die Haftung. Wer einmal einen Saugnapf von den Badezimmerkacheln lösen wollte, weiß: von der Kante her abrollen geht leichter, als wenn man am ganzen Saugnapf zerrt.

(Physical Review Letters, 2013; doi: 10.1103/PhysRevLett.111.104301)

(Christian-Albrechts-Universität Kiel, 16.10.2013 – AKR)

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