Materialforschung

Eine Milliarde hierarchisch organisierter Nanohärchen an der Fußsohle lassen den Gecko kopfüber an der Decke marschieren.

Nano-Härchen mit Mega-Haftkraft

Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart ist es mit hochauflösender Mikroskopie und speziellen Tricks gelungen, die Haftmechanismen an der Gecko-Fußsohle im Detail zu untersuchen. Etwa eine Milliarde so genannter Spatulae – winzige, etwa 200 Nanometer breite und ebenso lange Hafthärchen – befinden sich an der Sohle eines Gecko-Fußes. Diese Nano-Hafthärchen sind hierarchisch angeordnet: Sie sitzen an den so genannten Setae, die gerade mal ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares erreichen, und die wiederum aufgereiht sind zu etwa 400 bis 600 Mikrometer langen Lamellen, welche mit dem menschlichen Auge bereits gut zu erkennen sind.

Dieses sich über drei Ebenen immer feiner verästelnde Haftsystem erlaubt es dem Gecko, mit seinen Füßen auf nahezu allen Oberflächen zu haften und selbst kopfüber an der Zimmerdecke zu marschieren. Dabei nutzt das Haftsystem das Wasser, welches auf jeder irdischen Oberfläche in Monolagen als ultradünner Film vorhanden ist – in welcher Form genau, war jedoch bisher unbekannt. Mithilfe eines Rasterkraftmikroskops haben die Max-Planck-Forscher daher erstmals die Haftkraft einzelner (!) Hafthärchen (Spatulae) auf ganz unterschiedlich Substraten gemessen. Die erzeugten eher Wasser liebenden (hydrophilen) oder aber Wasser abweisenden (hydrophoben) Oberflächen unterschieden sich dabei im Grad ihrer Benetzung. Das Ergebnis: Je Wasser liebender das Substrat ist, desto größer sind auch die Haftkräfte.

Allerdings lässt die geänderte Oberflächenchemie für sich allein genommen noch keinen eindeutigen Schluss zu, welchen Einfluss die Kapillarkräfte im Unterschied zu den ebenfalls wirkenden van der Waals-Kräften haben. Hierzu bedurfte es noch zusätzlicher Haftexperimente bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten. Und diese zeigten, dass mit steigender Luftfeuchtigkeit auch die Kapillarkräfte anwachsen. Nur beide Ergebnisse zusammen genommen erklären, warum ultradünne Wasserschichten, wie sie zwischen einer Gecko-Spatula und dem jeweiligen Substrat vorhanden sind, einen eindeutigen Einfluss auf die Stärke der Haftkräfte haben. Mithilfe eines theoretischen Modells können die Forscher ihre experimentell gewonnenen Daten inzwischen auch erklären.

Die Stuttgarter Wissenschaftler richten ihr Augenmerk noch auf andere Tierarten und deren Fähigkeit, "den Boden nicht unter den Füßen zu verlieren". Lesen Sie hier.