Materialforschung
Geckofuß steht Modell für perfektes Klebeband
Blattschwanzgecko (<i>Uroplatus phantasticus</i>) Foto: Frank Vassen, <a external="1" class="external-link" target="_blank" href="http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.de">CC BY 2.0</a>
Noch haben handelsübliches Klebeband und Geckofüße nicht wirklich viel gemeinsam. Doch das könnte sich ändern: Materialforscher nehmen sich die Reptilien zum Vorbild, um wiederverwendbare Klebestreifen mit Selbstreinigungseffekt zu entwickeln - für Sport, Medizin und Raumfahrt
Geckos klettern senkrecht die Wände hoch, laufen kopfüber an der Decke und haben selbst auf extrem glatten Oberflächen wie Glasscheiben keine Probleme. Bei ihren waghalsigen Kletterpartien bewahren sie nicht etwa Krallen, sondern Millionen feinster Härchen an ihren Zehen und Fußsohlen vor dem Absturz. Die Enden dieser Härchen sind dabei noch mehrfach verzweigt. Diese so genannten Spatulae sind so fein, dass zwischen ihnen und der Oberfläche, auf der der Gecko geht und steht, Anziehungskräfte wirken, die Physiker Van-der-Waals-Kraft nennen. Diese Kräfte sind sehr schwach, wirken aber auch zwischen ungeladenen Teilchen, wenn diese sich nahe genug kommen und die Fläche zwischen ihnen groß genug ist. Durch die große Anzahl der Spatulae addieren sich die Van-der-Waals-Kräfte, und der Gecko haftet mit seinen Füßen – der Schwerkraft zum Trotz – sicher auf jeder Oberfläche.
GeckofußFoto: <a external="1" target="_blank" href="http://bernatcasero.com/">Bernat Casero Gumbau,</a><a external="1" target="_blank" href="http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/deed.de">CC BY 2.0</a>
„Ganz wichtig dabei ist, dass der Gecko immer saubere Füße hat“, sagt Hendrik Hölscher, Materialforscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Denn wenn auf den feinen Härchen eine Staub- oder Schmutzschicht liegt, funktioniert es mit der Haftung – ähnlich wie bei einem verschmutzten Klebestreifen – nicht mehr.“ Den Staub und Schmutz entfernen die Geckos durch Reibung von ihren Sohlen. Welche strukturellen Besonderheiten dieser Selbstreinigung zugrunde liegen, war bislang noch nicht bekannt. Hendrik Hölscher und sein Kollege Michael Röhrig gingen nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh der Frage nach, wie ein künstliches Klebeband aussehen muss, um einen ebenso wirksamen Selbstreinigungseffekt zu haben wie ein Geckofuß.
Die Forscher entwarfen einen Klebestreifen mit elastischen Mikrohärchen aus Kunststoff, winzige Glaskügelchen fungierten als Schmutzpartikel. Mit Hilfe einer speziellen Apparatur wurde das künstliche Klebeband auf die Glaskügelchen gedrückt, und dessen Haftung nach Verschmutzung und darauffolgender Reinigung gemessen. Den Reinigungsprozess simulierten die Forscher durch seitliches Schieben über eine Glasoberfläche. „Da wir vermuteten, dass die Größe der feinen Härchen bei der Selbstreinigung eine Rolle spielen könnte, haben wir verschiedene Größen von Mikrohärchen und Glaskügelchen untersucht“, erklärt Hölscher. „War der Durchmesser der Glaskügelchen größer als der Durchmesser der Mikrohärchen, wurden die Kügelchen abgestreift, und der Klebestreifen erreichte nach etwa zehn Reinigungsschritten fast 100 Prozent seiner ursprünglichen Haftkraft.“
Die Forscher entwarfen einen Klebestreifen mit elastischen Mikrohärchen aus Kunststoff, winzige Glaskügelchen fungierten als Schmutzpartikel. Mit Hilfe einer speziellen Apparatur wurde das künstliche Klebeband auf die Glaskügelchen gedrückt, und dessen Haftung nach Verschmutzung und darauffolgender Reinigung gemessen. Den Reinigungsprozess simulierten die Forscher durch seitliches Schieben über eine Glasoberfläche. „Da wir vermuteten, dass die Größe der feinen Härchen bei der Selbstreinigung eine Rolle spielen könnte, haben wir verschiedene Größen von Mikrohärchen und Glaskügelchen untersucht“, erklärt Hölscher. „War der Durchmesser der Glaskügelchen größer als der Durchmesser der Mikrohärchen, wurden die Kügelchen abgestreift, und der Klebestreifen erreichte nach etwa zehn Reinigungsschritten fast 100 Prozent seiner ursprünglichen Haftkraft.“
Mikrohärchen nach dem Vorbild des Geckos vor und nach der Reinigung durch Reibekontakt mit einer glatten Fläche. REM-Aufnahme: Michael Röhrig, KIT
War der Durchmesser der Glaskügelchen dagegen deutlich kleiner als der der Mikrohärchen, konnte nur ein Drittel der ursprünglichen Haftung wiederhergestellt werden. „Das Größenverhältnis zwischen Härchen und Schmutzpartikeln ist also der entscheidende Faktor“, sagt Hölscher. „Um eine sichere Haftung und zugleich einen guten Selbstreinigungseffekt zu erreichen, müssen die Härchen eines künstlichen Klebestreifens somit kleiner sein als die meisten Schmutzpartikel.“ In nachfolgenden Tests wollen die KIT-Forscher nun mit echten Schmutzpartikeln unterschiedlicher Größe, Form und Herkunft arbeiten, um die selbstreinigende Wirkung eines Klebebands nach dem Vorbild des Geckofußes weiter zu untersuchen. Hölscher: „Unser Ziel ist ein haftsicheres, wiederverwendbares Klebeband herzustellen, das sich allein durch das Abziehen selbst reinigt. Es wäre eine Alternative zum Klettverschluss mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise im Sport, in der Medizin, der Automobilindustrie oder in der Raumfahrt.“
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