Wasserfester Halt

Max-Planck-Forscher lassen sich von Käferfüßen zu einer Folie inspirieren, die unter Wasser an Glasplatten haftet

Glatte Wände mühelos empor klimmen, das ist der Traum von Fensterputzern, Feuerwehrleuten - oder Einbrechern. Ein Käfer kann das. Er hat winzig kleine pilzkopfförmige Strukturen an seinen Füßchen, die an der Wand haften, weil unter ihnen ähnlich wie bei einem Saugnapf ein Unterdruck entsteht. Und wie Michael Varenberg und Stanislav Gorb vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart jetzt festgestellt haben, haften diese Strukturen unter Wasser sogar besser als an der Luft. Das macht Kleben ganz ohne Klebstoff auch unter Wasser möglich. (Journal of Royal Society interface, 12. September 2007)

Ein Gecko würde unter Wasser wohl an steilen Wänden abrutschen, weil seine nanometerfeinen Härchen dann nicht so gut haften wie an der Luft. Dass er im Trockenen problemlos an ihnen empor wandern kann, verdankt er nämlich vor allem den Van-der-Waals Kräften. Diese Kräfte wirken, wenn sich zwei Moleküle gegenseitig annähern. Dann verschieben sich kurzzeitig die Ladungen in den Teilchen und es bilden sich Dipole, die sich wie kleine Magneten anziehen. Im Wasser können sich die Moleküle nicht nah genug kommen, und die ohnehin sehr schwache Kraft nimmt noch deutlich ab. Die Forscher am Max-Planck-Institut für Metallforschung zeigten, dass glatte Polymeroberflächen unter Wasser aufgrund der verringerten van der Waals-Kräfte wesentlich schlechter haften als an der Luft. Haftmaterial, das nach dem Vorbild von Gecko-Füßen mit unzähligen nur wenigen hundert Nanometer feinen Härchen Haftung gibt, verliert im Wasser daher den Halt.

Pilzköpfe kleben wie von selbst

Nicht so, wenn die Füße von Käfern das Model 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 Stuttgarter Forscher für die Herstellung ihrer mikrostrukturierten Oberflächen zum Vorbild genommen. Die dünnen Plättchen ihrer Strukturen haben dabei nur einen Durchmesser von einigen Dutzend Mikrometern. Und: Wenn Folie mit solchen Strukturen unter Wasser haftet, muss man 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 von Mikrosaugnäpfen", sagt Gorb. Zwischen einem gewöhnlichen Saugnapf und den pilzförmigen Strukturen eines Käferfußes gibt es jedoch einen entscheidenden Unterschied: Beide halten zwar wegen eines 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.

Bessere Haftung im Wasser

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 fest - 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. Und auch für verschiedene Anwendungen ist das Prinzip interessant: "Mikrostrukturierte Folien mit solchen Eigenschaften könnten vor allem in der Medizin, Meeres- und Biotechnologie Anwendung finden", sagt Gorb.