Geckos haften besser an feuchten Oberflächen

(aus: Campus Magazin Uni Saarland 49 (2009)20)

Die Haftkraft der Nanohärchen eines Gecko-Fußes wird durch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst: Dies haben jetzt Forscher der Universität des Saarlandes, des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in Stuttgart, der Universität Erlangen-Nürnberg und der ETH Zürich in einer interdisziplinären Studie gezeigt.

Abb.1: S. Gorb, MPI für Metallforschung, Stuttgart

Der Gecko ist das schwerste Lebewesen, das kopfüber an der Decke laufen kann. Ermöglicht wird diese enorme Kletterfähigkeit durch die auf nahezu alle Arten von Oberflächen perfekt abgestimmten Eigenschaften der Gecko-Fußsohle. Es ist bereits seit langer Zeit Gegenstand der Forschung, das zugrundeliegende Prinzip zu verstehen.

Geckos nutzen ein „trockenes“ Haftsystem, das ohne jegliches als Klebstoff wirkendes Sekret funktioniert: Auf jeder natürlichen Oberfläche befinden sich einige Monolagen Wasser als hauchdünner Film. Und genau diese Schicht weiß der Gecko für sich zu nutzen, wie in dieser interdisziplinären Studie erstmals gezeigt werden konnte. Ein Gecko-Fuß ist streng hierarchisch aufgebaut. Elektronenmikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, dass jeder „Zeh“ aus einigen Hunderttausenden so genannter Setae besteht. Das sind mikroskopisch kleine Härchen aus dem Protein Keratin. Der Durchmesser einer Seta beträgt nur ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares [1].

Alle bisherigen Haftkraft-Experimente wurden auf der Ebene der Setae durchgeführt und führten zu der Hypothese, dass ausschließlich die sogenannten van-der-Waals-Kräfte – also elektrostatische Kräfte zwischen Ladungsverteilungen in Molekülen – für diese erstaunlichen Haftmechanismen verantwortlich sind. Doch das Forscherteam, das aus Physikern, Materialwissenschaftlern und Biologen zusammengesetzt ist, ging mit seinen Untersuchungen noch einen entscheidenden Schritt weiter. Jede Seta spaltet sich nochmals in mehrere Hundert Untereinheiten auf, die Spatulae. Die Enden dieser Nanohärchen, von denen jeder Gecko etwa eine Milliarde besitzt, sind nur rund 200 nm groß, und nur sie kommen in den direkten Kontakt mit der Oberfläche. So kann sich jeder Zeh auch einer unregelmäßigen Oberfläche perfekt anpassen, um so einen engen Kontakt auf einer großen Fläche herzustellen.

Mittels aufwendiger Präparationstechniken konnten nun erstmals einzelne Spatulae an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops befestigt werden, um so die Haftkraft zwischen Gecko-Fuß und Oberfläche auf der kleinsten erreichbaren Ebene zu messen [2].

Um den Einfluss der van-der-Waals-Kräfte von anderen Mechanismen trennen zu können, wurden die Haftkräfte auf einer geschickt gewählten und exakt charakterisierten Serie von Silizium-Wafern, also einkristallinen Silizium-Scheiben, sowie auf Glasplättchen untersucht. Die Oberflächen unterschieden sich somit unter anderem in ihrem Benetzungsverhalten. Es zeigte sich, dass die Haftkräfte umso stärker sind, je hydrophiler die Oberflächen sind, also je besser ihre Benetzbarkeit ist. Zudem wurde die Rolle der Umgebungsbedingungen bei der Gecko-Adhäsion im Detail analysiert. Mit steigender Luftfeuchtigkeit kommt der Oberflächenspannung der Flüssigkeitsschicht eine größere Rolle bei der Adhäsion zu. Gleichzeitig konnten auch deutlich größere Haftkräfte gemessen werden.

Aus der Kombination dieser beiden Experimente schlossen die Forscher, dass die Luftfeuchtigkeit (bzw. die damit verbundenen molekular dünnen Wasserschichten) einen entscheidenden Einfluss auf die Stärke der Haftkräfte auf der Ebene der Spatulae hat. Dies konnte mit einem theoretischen Modell erklärt werden. Die Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [3] erschienen ist, kann somit eine lange klaffende Wissenslücke schließen und hat eine große Bedeutung sowohl in der Biologie als auch in den Materialwissenschaften. Die neuen Forschungsergebnisse geben detaillierte Einblicke darüber, welche Haftmechanismen auf der Nanometerskala an der Fußsohle eines Geckos wirken. Bei der Entwicklung neuartiger, wieder verwendbarer Klebebänder wird darauf zu achten sein, welche Rolle die Umgebungsbedingungen spielen, da sie die „Klebefähigkeit“ wesentlich beeinflussenkönnen.

Hubert Mantz, Karin Jacobs

Literatur

[1] Stanislav Gorb, Attachment Devices of Insect Cuticle, Springer Verlag, 2001.

[2] Gerrit Huber, Stanislav Gorb, Ralph Spolenak, and Eduard Arzt, Resolving the nanoscale adhesion of individual gecko spatulae by atomic force microscopy. Biology Letters (2005) vol. 1, 2–4.

[3] Gerrit Huber, Hubert Mantz, Ralph Spolenak, Klaus Mecke, Karin Jacobs, Stanislav Gorb, and Eduard Arzt, Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 8. November 2005, vol. 102, no. 45, 16293-16296.