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PUBLIC RELEASE DATE: 25. Mai 2004

Nano-Kontakte optimieren Haftung

Optimale Haftung von Geckos und Insekten beruht auf Formoptimierung und Größenreduzierung der Haftkontakte, berichten Stuttgarter Max-Planck-Forscher



Abb. 1: Nano-skalige Fibrillenstrukturen in den haarigen Haftungsstrukturen von Kfer, Fliege, Spinne und Gecko. Die Zahl der Oberflchenhaare erhht sich mit dem Krpergewicht der Tiere. Dabei verfgt der Gecko ber die hchste Dichte unter allen bisher untersuchten Tierarten.
Bild: Max-Planck-Institut fr Metallforschung/Gorb

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Die Haftstrukturen an den Fen von Geckos und vielen Insekten bestehen aus nur wenige hundert Nanometer feinen Hrchen. Diese Nanostrukturen haben sich vermutlich im Laufe der Evolution entwickelt haben, um die Haftung der Insekten auf Substraten zu optimieren. Dies zeigen jngste Forschungen am Max-Planck-Institut fr Metallforschung in Stuttgart: Danach hngt eine optimale Haftung davon ab, dass diese Hrchen an ihren Kontaktflchen optimal geformt sind. Doch diese starke Formabhngigkeit kann durch eine Minimierung der Haftkontakte ausgeglichen werden. Denn unterhalb von 100 Nanometer haften die Kontakte optimal - unabhngig von Formvernderungen der Kontaktflchen. Eine optimale, fehlertolerante Haftung lsst sich also ber eine Kombination aus Grenreduzierung und Formoptimierung erzielen. Dabei gilt: Je kleiner die charakteristische Gre des einzelnen Haftkontakts, desto weniger wichtig ist seine Form. Das macht auch plausibel, warum Haarkontakte von biologischen Haftungssystemen nur zwischen einigen hundert Nanometern und wenigen Mikrometern gro sind. Diese Erkenntnisse sind wichtig fr das Design von Haftsystemen in der Technik. (PNAS, Early Edition, 17. Mai 2004).

Schweien, Sintern, Diffusionsschweien sowie neuartige Wafer-bonding-Technologien sind einige der am hufigsten verwendeten Methoden, um strukturell unterschiedliche Bauteile miteinander zu verbinden. Werden zwei Gegenstnde durch Haftung oder Adhsion verbunden, und dann externen Belastungen unterworfen, so knnen Spannungskonzentrationen in der Nhe der Verbindung auftreten. Erhht sich die Last weiter, erreicht die Spannungsintensitt schlielich ein kritisches Niveau und ein kleiner Riss entsteht. Dieser wird immer grer, bis die Verbindung schlielich bricht. Die Ursache liegt darin, dass nicht das ganze Material in die Haftung einbezogen ist, sondern nur ein kleiner Teil in der Nhe der Spannungskonzentration intensiv belastet wird und sich Risse ausbreiten. Wie man eine robuste und zuverlssige Adhsion zwischen strukturell unterschiedlichen Bauteilen erreichen kann, ist fr Ingenieure bislang ein wenig verstandenes Problem.



Abb. 2: Die optimale Form fr zwei sich berhrende Materialien wird so definiert, dass sich bei Zugbelastung die Spannung konstant und gleichmig ber der Flche verteilt und auf diese Weise keine Spannungsberhhungen auftreten. Damit kann die maximal mgliche Haftkraft erreicht werden. Vom praktischen Standpunkt aus wird eine robuste optimale Haftung bei etwa100 Nanometern erreicht, wenn die Adhsionsstrke nicht mehr von kleinen Abweichungen von der optimalen Form abhngt.
Bild: Max-Planck-Institut fr Metallforschung

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Deshalb sind Haftungsmechanismen, die ber Jahrmillionen in der biologischen Evolution "erprobt" und verbessert wurden, nicht nur fr Biologen, sondern auch fr Ingenieure von Interesse. So haben Geckos und viele Insekten an ihren Fen haarige Strukturen (so genannte spatulae), die als Haftungsvorrichtungen dienen. Hierbei stellte sich heraus, dass sich die Dichte der Oberflchenhaare mit dem Krpergewicht der Tiere erhht (vgl. MPG-Presseinformation [1]). Unter allen Tierarten, die man bislang untersucht hat, haben Geckos die hchste Anzahl an spatulae pro Flcheneinheit. Sie sind - im Vergleich zu Fliegen und anderen Insekten - auch relativ schwere Tiere.

Diese biologischen Haftmechanismen hat man bisher mit ganz unterschiedlichen Konzepten erklrt, wie beispielsweise mit Kapillarkrften. Inzwischen aber wurde nachgewiesen, dass beim Haftmechanismus der Geckos die so genannten van der Waals-Krften eine dominierende Rolle spielen. Van-der-Waals Krfte sind, verglichen mit der Strke richtiger Atombindungen, relativ schwache Wechselwirkungen. Diese Krfte entstehen durch kurzzeitig auftretende asymmetrische Ladungsverteilungen um die Atome. Die Tatsache, dass Van-der-Waals-Krfte eine dominierende Rolle spielen sollen, erscheint zunchst berraschend, denn wir brauchen eine viel grere Kraft, um einen Gecko von der Decke zu ziehen, als unsere Hand vom Tisch zu nehmen, und das, obwohl in beiden Fllen die gleiche van der Waals-Kraft wirkt. Damit stellt sich die Frage, was genau die Strke der Haftung (Adhsion) bestimmt. Die chemische Struktur der Materialien jedenfalls kann nicht erklren, warum die gleiche van der Waals-Kraft eine so starke Adhsion beim Gecko, nicht aber beim Menschen ergibt. Anscheinend hat die Natur andere, ausgefeilte Mechanismen entwickelt, damit bestimmte Tierarten, fr die Adhsion das berleben ermglicht, die schwachen van der Waals-Krfte nutzen knnen.

H. Gao und H. Yao vom Max-Planck-Institut fr Metallforschung in Stuttgart haben jetzt ein Modell fr die Haftung zwischen einer einzelnen spatula und einem Substrat entwickelt, das auf van der Waals-Wechselwirkungen beruht. Danach hat die Form der Oberflche einer spatula groen Einfluss auf die Strke der Haftung, und ob dabei die maximale Haftkraft erreicht wird. Die Wissenschaftler zeigen, dass es eine besondere Form der spatulae gibt, bei der - unabhngig von ihrer Gre - in jedem Fall die maximale theoretische Haftkraft erreicht wird. Hat die spatula diese optimale Form, verteilt sich die Haftkraft gleichmig ber die gesamte Berhrungsflche. Das entspricht optimaler Materialverwendung.

Doch warum wird eine solche optimale Form bislang in der Technik nicht verwendet? Ein Grund liegt sicherlich darin, dass die maximal erreichbare Haftkraft sehr empfindlich ist gegenber kleinen Schwankungen in der Geometrie der Haftkontakte. So nimmt die Haftkraft bei einer Faser mit einem Radius von einem Millimeter um mehr als zwei Grenordnungen ab, wenn die Form der Faser nur um etwa ein bis zwei Prozent von ihrer optimalen Form abweicht. Doch die Forscher fanden heraus, dass diese berempfindlichkeit gegenber der Form interessanterweise durch Verkleinerung der Gre, also des Durchmessers der Faser, beseitigt werden kann. Verringert sich der Faserdurchmesser auf eine kritische Gre, erreicht die Haftkraft den maximalen theoretischen Wert, unabhngig von kleinen Vernderungen in ihrer Form. Die kritische Lngenskala schtzen die Wissenschaftler auf circa 100 Nanometer.

Folglich kann man in der Natur und potenziell auch in der Technik eine optimale Haftung durch eine Kombination von Grenreduzierung und Formoptimierung erreichen. Dabei gilt: Je kleiner die Faser, desto weniger wichtig ist ihre Form. Sind dennoch groe Berhrungsflchen notwendig, so kann eine optimale Adhsion erreicht werden, wenn es gelingt, die Form der Haftkontakte in ausreichender Przision herzustellen. Vom praktischen Standpunkt aus ist es allerdings notwendig, die Berhrungsgre mglichst zu verkleinern, um eine robuste und gleichzeitig optimale Adhsion zu erreichen. Dieser Zusammenhang zwischen Grenreduzierung und Formoptimierung knnte auch in der Technik wichtige Anwendungen finden.

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Verwandte Links:

[1] MPG-Presseinformation "Nanosohlen halten Schwergewichte an der Decke. Max-Planck-Forscher entdecken grundlegenden Mechanismus, der es Tieren erlaubt, sich mit winzigen Hafthrchen an den Fen auch kopfber zu bewegen", 23. September 2003

Originalverffentlichung:

H. Gao, H. Yao
Shape insensitive optimal adhesion of nanoscale fibrillar structures
Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 2004, Vol. 101, no. 21, pp. 7851-7856, Early Edition, published May 17, 2004, 10.1073/pnas.0400757101