Materialforschung

Käfer haben winzige, pilzförmige Strukturen an ihren Füßchen. Damit können sie sogar über Kopf an Pflanzen hängen.

Wasserfester Halt

Ein Gecko kann problemlos an steilen Wänden emporklettern - dank der Van-der-Waals-Kräfte haften seine nanometerfeinen Härchen extrem gut. Diese Kräfte wirken, wenn sich zwei Moleküle gegenseitig annähern. Dann verschieben sich kurzzeitig die Ladungen und die Moleküle bilden Dipole, die sich wie kleine Magneten anziehen. Unter Wasser können sich die Moleküle nicht nahe genug kommen, und die ohnehin sehr schwache Kraft nimmt deutlich ab. Glatte Polymeroberflächen haften deshalb unter Wasser wesentlich schlechter als an der Luft. Und auch Haftmaterial mit unzähligen nur wenigen hundert Nanometer feinen Härchen nach dem Vorbild von Gecko-Füßen (siehe TECHMAX Ausgabe 8) verliert im Wasser den Halt.

Nicht so, wenn die Füße von Käfern das Modell abgeben. Denn unter ihren Fußsohlen sitzen viele kleine pilzförmige Strukturen - pilzförmig, weil jede einzelne Struktur aus einem dünnen langen Stiel besteht auf dem ein noch dünneres Plättchen liegt. Diese Pilzköpfe haben sich die Forscher vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung für die Herstellung mikrostrukturierter Oberflächen zum Vorbild genommen: Die von ihnen konstruierten dünnen Plättchen haben dabei nur einen Durchmesser von einigen Dutzend Mikrometern. Eine Folie mit solchen Strukturen haftet unter Wasser, und man muss 25 Prozent mehr Kraft aufwenden, um sie von einer Glasplatte zu lösen.

"Solch ein Plättchen verhält sich wie eine dünne Frischhaltefolie, die ganz glatt auf einer Glasplatte liegt", erklärt Stanislav Gorb. Greift man die Folie in der Mitte an und zieht sie von der Platte weg, entsteht ein Hohlraum mit Unterdruck. Die Ränder der Folie liegen so glatt auf der Glasplatte, dass keine Luft durchdringt. Dieser Unterdruck hält die Folie an der Glasplatte fest. Genauso funktionieren auch die pilzförmigen Strukturen. Jedes einzelne der unzähligen Plättchen liegt flach auf der Glasplatte. Zieht man das Material mit den Pilzköpfen von der Oberfläche ab, ziehen deren Stiele die Plättchen in der Mitte hoch. Auch hier entsteht ein Hohlraum mit Unterdruck.

"Die Pilzköpfe sind also eine Art Mikrosaugnäpfe", sagt Gorb. Zwischen einem gewöhnlichen Saugnapf und den pilzförmigen Strukturen eines Käferfußes gibt es jedoch einen entscheidenden Unterschied: Beide halten zwar wegen des Unterdrucks auf der Oberfläche, "der Vorteil der pilzförmigen Strukturen unserer Oberflächen ist aber, dass man sie nicht einmal fest anpressen muss", sagt der Stuttgarter Wissenschaftler. Wenn Wasser die Strukturen umgibt, wird dieser Effekt noch verstärkt, weil Wasser viel zäher als Luft ist. Verhindern feine Staubpartikel, dass die Ränder der Saugfüßchen lückenlos auf der Glasplatte liegen, kann das Wasser nicht so leicht in den Hohlraum eindringen wie Luft. Denn sobald das passiert, herrscht im Hohlraum kein Unterdruck mehr und das Plättchen löst sich von der Glasplatte. Zudem sind die Strukturen aus dem wasserabweisenden Material Polyvinylsiloxan hergestellt. Das verhindert zusätzlich, dass Wasser in ein kleines Leck eindringen kann.

An Luft haften die strukturierten Platten der Forscher, im Vergleich zu glatten Platten, doppelt so stark aneinander - unter Wasser sogar 14-mal so stark. Auch die Käfer setzen auf diesen Effekt: Sie scheiden unter ihren Füßen mit den pilzförmigen Strukturen Sekrete aus, um sich mehr Halt zu verschaffen. Das Prinzip ist für verschiedene Anwendungen interessant - es könnte in der Medizin, der Meeres- und der Biotechnologie Anwendung finden.

Max-Planck-Gesellschaft (2007)