Neue Greiftechnik für ein sanftes Handling empfindlicher Materialien

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INM Leibniz - Institut für Neue Materialien gGmbH

Von der Natur inspirierte Haftstrukturen

Eine noch größere Anwendungsvielfalt bieten jedoch die schnell schaltbaren Haftmechanismen der Spinnen, Insekten und Echsen. Letztere stechen hervor, da diese Tiere aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichtes über besonders gute Hafteigenschaften verfügen müssen. So bringt es beispielsweise der Tokeh-Gecko (Gekko gecko) auf eine beachtliche Länge von 36 cm und ein Gewicht von mehr als 200 g. Da er sich mit einer Schrittfrequenz von bis zu 7,7 Hz fortbewegt, muss die Haftung zwischen seinen Füßen und dem Untergrund in weniger als 130 ms vermittelt und wieder gelöst werden können. Tatsächlich fanden Forscher heraus, dass die Zeitspanne für den Anhaftprozess nur rund 21 ms betragen kann, während das Ablösen in rund 42 ms geschehen kann [5]. Andere Geckoarten können sogar mit rund der doppelten Schrittfrequenz laufen [3].

Fasziniert von dieser Leistung untersucht das INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien mit modernsten Methoden die physikalischen und chemischen Grundlagen dieses Vorgangs. Darauf aufbauend nutzt das Institut die Erkenntnisse, um bioinspirierte Haftstrukturen herzustellen, die in technischen Anwendungen eingesetzt werden können.

Haftung dank reduziertem Luftdruck

Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen zu den Haftmechanismen des Gecko reichen schon viele Jahrzehnte zurück. Bereits im Jahre 1902 veröffentlichte Franz Weitlaner einen Artikel, in dem er die Ergebnisse seiner Experimente zur Haftung von Geckos beschreibt. Er bewies, dass der Haftmechanismus auch unter reduziertem Luftdruck funktioniert und widerlegte die bis dahin vertretene Hypothese eines Saugmechanismus [6]. Die Morphologie der Haftstrukturen konnte Mitte des 20. Jahrhunderts unter Zuhilfenahme der Elektronenmikroskopie geklärt werden.

So fand man heraus, dass die Haftstrukturen hierarchisch verzweigt sind. Die jeweiligen Zehen sind im Kontaktbereich lamellenförmig aufgebaut und mit zahlreichen mikroskopischen Härchen bedeckt. Die Härchen wiederum verzweigen sich in noch feinere, 200 nm dicke Fibrillen, welche durch eine plättchenförmige Verdickung an ihrem freien Ende gekennzeichnet sind. In den 60er-Jahren des letzten Jahrhunderts wurde erstmalig ein Zusammenhang zwischen der Feinstruktur des Geckofußes und der Haftung auf festen Oberflächen hergestellt [4].

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurde der Nachweis erbracht, dass die Haftung der Geckofüße vorwiegend durch sogenannte Van-der-Waals-Wechselwirkungen erfolgt [2]. Die Haftung erfolgt dabei durch die Wechselwirkung zweier Atome mit temporärem Dipolcharakter. Durch Ladungsfluktuationen in einem Atom (das heißt eine sich zeitlich ändernde, asymmetrische Elektronendichteverteilung um einen Atomkern) entsteht kurzzeitig ein Dipol, der das benachbarte Atom polarisieren kann. Es bildet sich ein sogenannter „induzierter Dipol“ aus, welcher wiederum den durch Ladungsfluktuation entstandenen Dipol stabilisiert. Die Bindungsenergie zwischen den zwei Atomen hängt von ihrer Polarisierbarkeit ab, ist über r^-6 vom Bindungsabstand r abhängig und liegt in der Größenordnung von 0,1 eV. Die oben beschriebene Van-der-Waals-Wechselwirkung gilt unter Berücksichtigung der Hamaker- und Lifshiz-Theorie auch für makroskopische Körper.

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