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Gecko-Tape, das loslässt
Gecko-Füße sind seit langem eine Inspirationsquelle für Wissenschaftler, die sich bemühen, superstarke, wiederverwendbare Klebstoffe herzustellen. Jetzt haben Forscher der Carnegie Mellon University einen neuen Weg gefunden, um mit abgewinkelten Mikrostrukturen einen solchen Haftkleber und bedarfsgerechtes Lösen herzustellen. Diese Strukturen ahmen die Spitzen der Geckozehen nach, die der Eidechse ihre Kletterfähigkeiten verleihen.
Haftkraft: Diese abgewinkelten Spitzen mit einem Durchmesser von etwa 40 Mikrometern bieten die gleiche kontrollierte Klebekraft wie die Zehen eines Geckos.
Gecko-ähnliche Klebstoffe haben sich als Haftvermittler für chirurgische Anwendungen bereits als vielversprechend erwiesen. Einige Forscher glauben, dass die besondere Fähigkeit des Geckos auch der Schlüssel zu zuverlässigen Kletterrobotern für Aufklärungsmissionen und Weltraumforschung sein könnte.
Die Zehen eines Geckos haben Millionen von sehr kleinen Härchen, die eng beieinander gepackt sind. Am Ende jedes Haares befinden sich Hunderte von winzigen, untertassenähnlichen Strukturen, die als Spachtel bezeichnet werden. Schwache Anziehungskräfte, bekannt als Van-der-Waals-Kräfte, halten jeden Spatel an der Oberfläche des Objekts, auf das ein Gecko zu klettern versucht. Wenn die Kräfte von Millionen von Spateln zusammenwirken, schaffen sie eine starke Verbindung, die einen Gecko an fast allem kleben lässt – sogar auf dem Kopf.
Im Jahr 2006 hat das Team unter der Leitung von Metin Sitti , ein Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon, entwickelte flache, pilzförmige Spitzen, die den Spatel nachahmen. Die Spitzen konnten die gleiche Haftkraft wie ein Gecko erreichen, aber es gab keine einfache Möglichkeit, diese Spitzen dazu zu bringen, ihren Griff zu lösen. Später erkannte das Team, dass der Schlüssel zur Kontrolle der Klebrigkeit darin lag, den Winkel des Spatels zu ändern. Also nahm Sittis Team die Spitzen und platzierte sie auf Polymerfasern, wobei sie etwa 28 Grad abgewinkelt waren, um den Winkel zwischen einem Geckohaar und einem Spatel nachzuahmen. Wenn Druck in Richtung der abgewinkelten Fasern ausgeübt wird, vergrößert sich die Kontaktfläche zwischen jedem Spatel und dem Objekt, wodurch die Klebekraft erhöht wird. Das Ziehen in die entgegengesetzte Richtung verkleinert die Kontaktfläche und lässt die Anziehungskräfte abnehmen, sodass Gecko-Tape, wie Sitti es nennt, gelöst werden kann. Der Klebstoff der Gruppe konnte ein Gewicht von einem Kilogramm halten, wenn Druck in Richtung der abgewinkelten Fasern ausgeübt wurde. Ein 300-Gramm-Gewicht, das in die entgegengesetzte Richtung zog, reichte aus, um den Griff des Bandes zu lösen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse in einer aktuellen Ausgabe von Klein .
Kontrollierbare Klebrigkeit: Im ersten Bild hält die abgewinkelte Polymerfaser ein Gewicht von einem Kilogramm in eine Richtung. Das zweite Bild zeigt, wie ein 300-Gramm-Gewicht, das in eine andere Richtung zieht, die Bindungen bricht.
Der Klebstoff wird robustere und energieeffizientere Kletterroboter und Kapselroboter ermöglichen , sagt Sitti, der beides in seinem Labor entwickelt.
Andere Forscher konnten mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine weitaus höhere Haftkraft erreichen als ein Gecko. Während steifere Nanoröhrchen-Fasern an einer Wand festhalten können, fällt es ihnen schwerer, von einer Decke zu hängen, sagt Sitti und fügt hinzu, dass sein Klebstoff 500 Gramm von der Decke halten konnte. Ein weiterer großer Vorteil der von Sitti verwendeten Polymerfasern besteht darin, dass sie in der Herstellung leicht skalierbar und kostengünstig sind, sagt er.
Sitti vermarktet diese abgewinkelten Polymerfasern jetzt über sein Startup nanoGriptech für die Verwendung in Sportgeräten und Hautklebern.
Das Design an der Spitze ist interessant, sagt Liming Dai, Professor für Werkstofftechnik an der University of Dayton, der mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Kraft erreichte, die zehnmal stärker war als die von Gecko-Füßen. Das Einzige bei Polymeren ist, man kann es leicht in Nanofabrikationen für die Spitze herstellen. Außerdem ist es günstig.
Das ist eindeutig innovative Arbeit, sagt Jeffrey Karp , einem Bioingenieur in der Harvard-MIT Division of Health Sciences, der ein sicheres medizinisches Gecko-Tape zum einmaligen Gebrauch entwickelt hat. Es wird interessant sein zu sehen, ob dieser Prozess für industrielle Anwendungen skaliert werden kann oder ob die Klebstoffe unter nassen Bedingungen besser funktionieren – eine große Einschränkung für viele der Gecko-nachahmenden Klebstoffe.
Sitti sagt, dass seine Gruppe plant, die pilzförmigen Spitzen mit Materialien zu beschichten, damit sie auch im Wasser funktionieren. Das könnte für medizinische Anwendungen wichtig sein: Es könnte dafür sorgen, dass zum Beispiel Medikamentenpflaster nicht abrutschen, wenn die Haut schwitzt, sagt Sitti.
Andere Herausforderungen bleiben. Derzeit kleben die Spitzen nur wenige Stunden, bevor sie ihren Griff lösen. Ali Dhinojwala , ein Professor an der Universität Akron, der sich auch mit Gecko-inspirierten Verklebungen beschäftigt, sagt, dass der Klebstoff idealerweise selbstreinigend ist, sodass er immer wieder verwendet werden kann.