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Technik|Digitales

Gecko-Imitat mit Selbstreiniger

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Geckofuß: Geniale Haftstrukturen lassen ihn fast überall kleben (thinkstock)
Geckos kleben scheinbar mühelos sogar kopfüber an der Decke, die Haftkraft ihrer feinstrukturierten Füße ist legendär. Aber nicht nur das: Sie kleben selbst dann noch, wenn Decke oder Blatt voller Staub und Fettschmutz sind. Das Prinzip dahinter versuchen Forscher schon seit längerem zu imitieren und für neuartige Haftmaterialien zu nutzen. Bei der Haftkraft auf sauberen Oberflächen hat das auch schon ganz gut funktioniert, die Toleranz gegenüber Schmutz ließ allerdings zu wünschen übrig. Einem deutsch-amerikanischen Forscherteam ist es nun gelungen, nicht nur die Haftkraft des Geckos zu imitieren, sie verliehen ihrem Haftmaterial auch eine Selbstreinigungskraft ähnlich dem der Geckofüße.

Klebestreifen sind praktische Alltagshelfer: Sie kleben ein Geschenk zu, decken als Pflaster eine Wunde ab und schützen als Isolierband freiliegende Leitungen. Sie alle haben aber einen Haken: Wehe man fasst aus Versehen auf die Klebefläche oder versucht, mit ihnen staubige oder fettige Flächen zu verkleben. Das Scheitern ist in diesem Falle vorprogrammiert. Denn sobald die Klebefläche verschmutzt ist, verliert das Klebeband unwiederbringlich seine Haftkraft. Der Gecko dagegen scheint immun gegen diesen Effekt: Seine Füße haften immer, egal ob der Untergrund nass, fettig oder völlig verstaubt oder versandet ist. Möglich macht dies die besondere Konstruktion der Haftpolster an den Zehen der Geckos. Sie bestehen aus komplexen, auf mehreren Ebenen fein strukturierten Härchen und Borsten, die eine starke Adhäsion mit dem Untergrund erzeugen.

Pilzköpfe gegen Glaskügelchen

Inzwischen gibt es bereits einige nach diesem Prinzip konstruierte Materialien, die der Haftkraft der Geckos zumindest nahekommen. Eines aber fehlt ihnen noch: „Kein synthetisches Gecko-Haftmaterial hat es bisher geschafft, auch nach einer Verschmutzung noch so gut zu kleben wie sein natürliches Vorbild“, konstatieren Yigit Mengüç von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh und seine Kollegen. Denn die Selbstreinigungskraft der Geckofüße sorgt dafür, dass diese schon nach vier bis acht Schritten wieder bis zu 80 Prozent ihrer vorherigen Klebkraft wiedergewinnen. Die Forscher haben das Prinzip hinter dieser Selbstreinigungskraft nun anhand eines künstlichen Gecko-Haftmaterials näher untersucht und dieses so optimiert, dass es in Haftkraft und Reinigung dem natürlichen Vorbild näher kommt als alle bisherigen Versuche.

Für ihre Versuche nutzten die Forscher elastische Kunststoffläppchen aus Polyurethan, deren Oberfläche mit pilzförmigen Mikrostrukturen besetzt war. Diese Mikrostrukturen kommen in ihren Adhäsionseigenschaften den Haftstrukturen der Geckofüße relativ nahe, wie vorherige Versuche bereits gezeigt hatten. Zu Beginn der Tests prüften die Forscher zunächst die Haftkraft von Kunststofflappen mit Pilzköpfen von 20, 309 und 95 Mikrometer Kopfdurchmesser auf einer Glasplatte. Anschließend wurden die Läppchen verschmutzt: Eine Apparatur drückte sie kurz auf eine Glasplatte, die mit meiner Lage von Glaskügelchen bedeckt war, je nach Test hatten diese eine Größe von drei bis 215 Mikrometern. Als Folge blieben einige Kügelchen an der Lappenoberfläche haften. Dann folgte der entscheidende Test: Die Forscher prüften, wie gut die Haftlappen direkt nach der Verschmutzung klebten. Dann gaben sie den Lappen eine Chance zur Selbstreinigung: Sie klebten sie kurz auf eine saubere Glasplatte und zogen diese dann leicht seitlich weg. Nach jedem Schritt untersuchten sie, wie viele Kügelchen noch in der Struktur festhingen und wie gut die Haftkraft war.

Sauber nach acht Schritten

Das Ergebnis: „Unsere synthetischen Gecko-Haftmaterialien zeigten eine deutlich bessere Selbstreinigungskraft als bisherige Geckokleber“, konstatieren Mengüç und seine Kollegen. Nach einer Verschmutzung erreichten sie bis zu 100 Prozent ihrer vorherigen Haftkraft wieder. Das Ergebnis hing dabei entscheidend vom Größenverhältnis von Haftstruktur zu Schmutzkörper ab: Haftlappen, deren Pilzkopf-Spitzen kleiner waren als die Glaskügelchen, verloren zwar nach einer Verschmutzung am meisten von ihrer Haftkraft, wurden aber auch am schnellsten wieder sauber. Solche Haftmaterialien nach Geckoart könnten sich überall dort gut eignen, wo wiederholtes Haften gefragt ist, beispielsweise bei Klettverschlüssen an Kleidung: Einfach ein paar Mal auf und zu, und schon ist der Schmutz weg und die Verbindung hält wieder.

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Aber auch ein Rezept für Heftstreifen, die selbst bei Verschmutzung noch haften, ergaben die Tests: Waren die Haftstrukturen größer als die Schmutzpartikel, ragten ihre Pilzköpfe über die anhaftenden Kügelchen hinaus. Dadurch verloren sie selbst bei starker Verschmutzung nur wenig an Haftkraft. Nach diesem Prinzip könnten beispielsweise Pflaster oder Klebestreifen konstruiert werden, die auch auf staubigem Untergrund kleben sollen. Der Haken dabei: Die in den Rillen der Struktur sitzenden Kügelchen sind dafür nur schwer wieder zu entfernen. „Dies ist daher vor allem dort sinnvoll, wo eine Selbstreinigung ohnehin nicht nötig oder möglich ist“, erklären die Forscher.

Ihrer Ansicht nach eröffnen beide Varianten neue Möglichkeiten für Anwendungen. Das selbstreinigende Gecko-Material aber sei besonders geeignet beispielsweise für wiederverwendbare Klebestreifen oder Klettverschlüsse. Als nächstes wollen die Forscher nun ihre Haftmaterialien weiterentwickeln und dann auch mit Staub und andern Alltagsverschmutzungen testen.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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