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Klebendes Nanotape
Materialwissenschaftler versuchen seit Jahren, Geckos einzuholen. Klebstoffe, die wie Geckofüße trocken, leistungsstark, wiederverwendbar und selbstreinigend sind, könnten Robotern helfen, Wände zu erklimmen oder elektrische Komponenten selbst unter den rauen Bedingungen des Weltraums zusammenzuhalten. Aber es war schwierig, starke Klebstoffe zu entwickeln, die wieder angehoben werden können. Nun haben Forscher einen Klebstoff aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen entwickelt, dessen Struktur der von Gecko-Füßen stark nachempfunden ist. Es ist 10-mal klebriger als die Füße der Eidechse und lässt sich wie der natürliche Kleber leicht wieder hochheben. Und es funktioniert auf einer Vielzahl von Oberflächen, einschließlich Glas und Sandpapier.
Gecko-Tape: Anordnungen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem vertikal ausgerichteten Abschnitt (unten links) und einer verzweigten, verworrenen oberen Schicht (unten rechts) ahmen die Strukturen von Gecko-Füßen nach, sind aber zehnmal haftfähiger.
Entwickelt von einer Gruppe unter der Leitung von Kalkung Dai , Professor für Werkstofftechnik an der University of Dayton, und Zhong Wang , Direktor des Center for Nanostructure Characterization an der Georgia Tech, ist der Klebstoff nicht der erste aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Es ist jedoch viel stärker als bisherige Nanotube-Klebstoffe. Seine verzweigte Struktur ahmt die Strukturen von Geckofüßen besser nach, die mit Millionen von Mikrohaaren bedeckt sind, die sich in viele kleinere Haare verzweigen, von denen jedes eine schwache elektrische Wechselwirkung mit einer Oberfläche hat. Diese vielen schwachen Wechselwirkungen summieren sich zu einer starken Haftung im Bereich des Fußes. Zuvor haben Forscher gezeigt, dass Anordnungen von vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren ähnliche Wechselwirkungen mit einer Oberfläche haben.
Die Leute haben versucht, die Gecko-Strukturen nachzuahmen, aber es ist nicht einfach, sagt Dai. Unter Verwendung eines Siliziumsubstrats bauten er und seine Gruppe Anordnungen von vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren auf, die mit einer nicht ausgerichteten Schicht aus Nanoröhren bedeckt waren, wie Baumreihen mit sich verzweigenden Spitzen. Die Haftkraft dieser Nanoröhren-Arrays beträgt etwa 100 Newton pro Quadratzentimeter – genug für ein vier mal vier Millimeter großes Quadrat des Materials, um ein 1.480 Gramm schweres Lehrbuch zu halten. Und seine Hafteigenschaften waren bei Tests auf sehr unterschiedlichen Oberflächen, darunter Glasplatten, Polymerfolien und rauem Schleifpapier, gleich.
Ein Vorteil dieses Klebstoffs gegenüber anderen besteht darin, dass seine Stärke stark richtungsabhängig ist. Wenn es parallel zu seiner Oberfläche gezogen wird, ist es sehr stark. Das liegt daran, dass die verzweigten Nanoröhren ausgerichtet werden, sagt Dai. Aber wenn es mit wenig Kraft hochgezogen wird, als würde man ein Stück Klebeband abziehen, verlieren die Nanoröhrchen nacheinander den Kontakt.
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Je höher die Haftfestigkeit, desto besser, sagt Ali Dhinojwala , Professor für Polymerwissenschaften an der Universität Akron. Allerdings, sagt Dhinojwala, der auch an Kohlenstoff-Nanotube-Klebstoffen arbeitet, müssen wir noch andere Probleme lösen, bevor sie kommerziell tragfähig sind. Wandkletterroboter benötigen Klebstoffe, die immer wieder funktionieren, ohne sich abzunutzen oder mit Schmutz zu verstopfen. Wir wollen, dass ein Roboter in einer schmutzigen Umgebung mehr als 50 Schritte macht, sagt Dhinojwala. Niemand hat starke Gecko-inspirierte Klebstoffe gezeigt, die dies können. Und Nanotube-Klebstoffe müssen auf anderen Substraten als den bisher verwendeten gezüchtet werden. Kohlenstoffnanoröhren lassen sich leicht auf Siliziumwafern aufwachsen; große Flächen des Klebers zu erzeugen wäre kein Problem. Aber wir werden keine Siliziumwafer an Roboterfüße kleben, sagt Dhinojwala.
Dai sagt, dass die Vielseitigkeit der Kohlenstoffnanoröhren dazu beitragen kann, das Schmutzproblem zu überwinden. Diese Strukturen können leicht mit Proteinen und anderen Polymeren funktionalisiert werden. Dai entwickelt adhäsive Nanoröhren-Arrays, die mit Proteinen beschichtet sind, die ihre Form als Reaktion auf Temperaturänderungen ändern. Ein Roboter könnte Füße haben, die sich erhitzen, wenn sie verstopft sind, und Schmutz abwerfen, damit er weiterlaufen kann.
Andere Anwendungen des Klebstoffs können die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren besser nutzen als die Robotik. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind für Elektrizität stark leitfähig und haben vielversprechende thermische Eigenschaften, bemerkt Dai. Nanotube-Klebstoffe, die als Ersatz für Lot zum Zusammenhalten elektronischer Komponenten entwickelt wurden, könnten auch als Kühlkörper fungieren. Andere Gecko-inspirierte Klebstoffe aus Polymeren halten hohen Temperaturen nicht stand, sagt Metin Sitti , der das Nanorobotik-Labor bei Carnegie Mellon leitet. Raumschiffe, die Nanoröhren-Klebstoffe anstelle von Polymeren verwenden, könnten in heißere Gebiete fliegen.