Eine Vielzahl von Kontakten

Das Elektronenmikroskop enthüllt die spatelförmigen Feinstrukturen, die an den Fußsohlen von Käfern, Fliegen, Spinnen und Geckos für Haftung an Decken oder Wänden sorgen.

Manche Insekten setzen ebenfalls Hafthaare ein. Doch diese sind meist nicht verzweigt und längst nicht so fein wie die des Geckos. Auf den weichen „Fußlappen“ des Ampferblattkäfers Gastrophysa viridula zum Beispiel, der wie der Tokee zu den Stuttgarter Laborbewohnern zählt, sitzen die Spatelspitzen tausendmal weniger dicht als bei Geckos. Seine pilzförmigen Spatulae sind auch zehn- bis fünfzigmal gröber als die des Geckos. Bei einigen großen Spinnen geht es da schon wesentlich feiner zu. Solche Vergleiche brachten die Max-Planck-Wissenschaftler auf die Idee, dass es eine Art natürliches „Haftgesetz“ geben könnte: „Je größer ein Tier ist, desto feiner verzweigen sich seine Kontaktflächen.“ Stanislav Gorb konnte zeigen, dass tatsächlich alle Spezialisten für haariges Haften sich diesem Gesetz unterwerfen. Es erklärt auch, warum Geckos die schwersten Tiere sind, die dieses Prinzip ausnutzen. Schließlich hätte eine Bergziege sicher auch gerne „schicke Hafthufe“, um damit senkrechte Felswände hinauf zu fliehen. Doch warum hat die Evolution sie nicht hervorgebracht? Die Antwort liegt im Gewicht des Tieres: Eine Ziege ist gut hundertmal schwerer als ein Gecko. Folglich müssten die Ziegen-Spatulae viel feiner als die der Echsen sein, und das heißt, dünner als ein einzelnes Keratin-Molekül! „Irgendwann sind die Härchen so dünn, dass sie einfach von den Füßen abreißen“, sagt Gorb.

Je tiefer man in die Welt der mikroskopischen – oder gar nanoskopischen – Kontakte eindringt, desto stärker regieren physikalische Gesetze, die die Kontakttheorie beschreibt. Grundsätzlich entsteht ein Kontakt immer dann, wenn zwei Flächen sich gut aneinander anschmiegen. Felsen, Baumrinden, Blätter oder neuerdings künstliche Oberflächen wie Glasscheiben kümmern sich nicht um Geckos oder Fliegen. Deshalb müssen sich deren Hafthaare umgekehrt gut an diese verschiedenartigen Untergründe anpassen. Sie müssen also extrem flexibel sein und trotzdem auch fest, sonst drohen sie abzureißen. Infolgedessen verhalten sich Setae beim Anschmiegen wie winzige Federn: Sie biegen sich, aber ihr Widerstand gegen diese Verformung wächst. Diesem mechanischen Widerstand wirkt bei einem Kontakt eine anziehende Kraft entgegen, deren Ursache molekulare Oberflächenkräfte sind, wie wir gleich sehen werden.

Je schwerer die tierischen Haftartisten sind, desto feiner müssen ihre Hafthaare sein.

Das entscheidende Wechselspiel zwischen diesen beiden Kräften findet am Rand des Kontakts statt. „Nicht die Größe der Kontaktfläche ist entscheidend für das Haften“, erklärt der Max-Planck-Wissenschaftler, „sondern allein ihr Umfang.“ Diese merkwürdige Eigenschaft winziger Kontakte erklärt sofort, warum die tierischen Haftartisten so feine Haare haben. Wer seine Kontaktfläche in viele kleine Kontaktflächen aufsplittet, bekommt in der Summe einen größeren Gesamtumfang. Anhand eines Blattes Papier kann man sich das schnell klar machen: Wenn man es in mehrere Stücke zerschneidet und dann die Kantenlängen misst und addiert, dann erhält man den Gesamtumfang aller Schnipsel, der den Umfang des ursprünglichen Blattes deutlich übersteigt. Auf der Basis dieses einfachen geometrischen Zusammenhangs – und mit noch ein paar komplexeren Zutaten – ergibt die Kontakttheorie folgendes verblüffend einfache Gesetz: „Zerteile die Kontaktfläche in n kleinere Kontakte, wobei n eine natürliche Zahl ist, und steigere so die Kontaktkraft um den Faktor Wurzel n.“ Würde man also einen Kontakt in 10.000 kleinere Kontakte aufteilen, dann stiege die Haftkraft um den Faktor 100. Tatsächlich hält sich die Natur „haargenau“ an dieses Gesetz, wie die Stuttgarter herausfanden. Die naive Vermutung, dass die Tiere durch das Aufteilen in viele feine Haare ihre effektive Kontaktfläche vergrößern, ist also falsch. Sie steigern ihre Haftkraft über den Gesamtumfang der Kontakte!