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Materialforschung: Forscher entwickeln Gecko-Superkleber

Sie können an der Decke laufen, landen auf Fensterscheiben und erklimmen ohne Bergsteigerausrüstung Überhänge. Was Insekten und Echsen die Natur geschenkt hat, machen Materialforscher aus Stuttgart für den Menschen nutzbar.

Gecko: Die Echse ist das größte Tier, das mit Klebfüßen kopfüber laufen kann
AP

Gecko: Die Echse ist das größte Tier, das mit Klebfüßen kopfüber laufen kann

Für einen Umzug braucht man in Zukunft weder Bohrer noch Hammer, wenn die Vorstellungen des Materialforschers Eduard Arzt vom Max-Planck-Institut in Stuttgart Wirklichkeit werden. Heimwerker müssen dann nicht mehr mit Dübeln bewaffnet Hängeschränke, Regale und Spiegel anbringen und an harten Betonwänden verzweifeln, in die sich kein Nagel schlagen lässt. Die Rückseite von Bildern und Hängeschränken wäre mit dehnbaren Haftbändern bezogen, die, ohne Spuren an den Wänden zu hinterlassen, tausendfach ablösbar sind und doch bombenfest halten. Und das ganz ohne Klebstoff.

Das Prinzip haben die Forscher um Eduard Arzt unter anderem den Geckos abgeschaut. Ähnlich wie manche andere Echsen, Insekten und Spinnentiere haben sie äußerst feine Härchen unter den Fußsohlen. Sie ermöglichen es den Tieren, kopfüber unter Palmblättern zu sitzen, wie Bergsteiger Überhänge zu erklimmen und selbst auf glatten Glasflächen sicheren Halt zu finden. "Ihr Bauprinzip wird von über einhundert Tierarten angewandt, die wir studiert haben", berichtet Arzt SPIEGEL ONLINE. "Offensichtlich haben sich die Hafteigenschaften in der Natur bewährt." Nach ihrem Vorbild entwickelte das 40-köpfige Team um Arzt einen hochstabilen Klebstoffersatz. Diese Pionierarbeit wird im Juni mit dem angesehenen Preis des Stifterverbandes für die Deutsche Wissenschaft ausgezeichnet.

Zuvor mussten die Materialforscher verstehen, warum die Natur die Klebefüße der Tiere so und nicht anders konstruiert hat. Die Biologen im Team von Arzt schauten daher zunächst Geckos, Spinnen, Fliegen und Käfern ganz genau auf die behaarten Fußsohlen. Sie lüfteten ihr Geheimnis: "Je größer ein Tier ist, desto feiner und dichter ist der Haarpelz an den Laufflächen", erklärt Arzt. Reichen kleineren Käfern noch Haare mit einem Durchmesser von einigen Mikrometern, bildet ein Gecko für sicheren Halt Härchen von nur 200 Nanometern (millionstel Millimeter) Dicke aus.

An den Härchen wirken die so genannten Van-der-Waals-Kräfte. Sie entstehen durch kurzzeitige asymmetrische Ladungsaufteilungen um die Atome herum. Bei feinen Haaren nehmen zwar auch die Van-der-Waals-Kräfte ab, doch es passen sehr viel mehr Haare auf eine kleine Fläche. So wird die Haftkraft de facto erhöht. Auch die Elastizität und Form der Härchen ist entscheidend: In der Natur haben sich vor allem kugel- und kegelförmige Haarenden durchgesetzt. Bei ihnen verteilt sich die Haftkraft optimal auf die gesamte Berührungsfläche.

Feinste Härchen: Je größer das Tier, desto feiner sind die Hafthaare unter seinen Füßen
Max-Planck-Institut für Metallforschung

Feinste Härchen: Je größer das Tier, desto feiner sind die Hafthaare unter seinen Füßen

Mit dieser Erkenntnis jedoch war die Arbeit noch lange nicht getan: "Man kann nicht einfach die Methoden eines Käfers 1:1 kopieren", sagt Arzt. Vielmehr erarbeitete das Team mathematische Modelle und Computersimulationen, die das Prinzip erkennen und verbessern sollten. Bereits heute kann man mit Nanotechnologie noch feinere Härchenstrukturen als die der Geckos produzieren. Doch dem sind Grenzen gesetzt: "Die Härchen haften irgendwann an allem gut - auch untereinander. Sie verfilzen ab einem bestimmten Punkt", sagt Arzt. Eine Gruppe von Polymerchemikern arbeitet gerade unter seiner Leitung an diesem Problem. Sie wollen Kunststoffoberflächen entwickeln, denen sie je nach Aufgabe andere Hafteigenschaften geben können.

In jedem Fall jedoch könne diese Art von klebstofffreier Klebeverbindung tausendfach gelöst und wieder angefügt werden, ohne ihre Haftkraft zu verlieren. Gegenstände mit solchen Klebeflächen hielten an allen Oberflächen und hinterließen keine Spuren. "Man kann sie überall verwenden, wo eine vorübergehende Verbindung erwünscht ist", meint Arzt. Besonders interessant sei dies für die Mikro- und die Fertigungstechnik, doch auch im Alltag seien vielfältige Anwendungsmöglichkeiten vorstellbar: Bilder aufhängen, ohne die Tapete zu verletzten, neuartige Klettverschlüsse an Kleidung, Post-its, deren Klebefläche sich kaum abnutzt. Angefragt hat auch schon die Nasa: Die Weltraumorganisation will Sensoren an Raumschiffen und Flugzeugen anbringen und abnehmen, ohne deren Außenhaut zu verletzten.

Auch Antonia Kesel, Professorin für Bionik an der Hochschule Bremen, fasziniert, dass die Härchen im Nanobereich überall haften können - selbst im Weltraum, wo normale Klebstoffe nicht halten würden, wie sie sagt. Sie hat zusammen mit Kollegen aus der Schweiz beschrieben, wie Springspinnen mit ihren behaarten Fußsohlen das 173-fache ihres Gewichtes tragen können. Nun arbeitet sie ebenfalls daran, nach dem Vorbild aus der Natur einen selbstklebenden Kunststoff zu entwickeln. Doch im Moment hat ihre Gruppe noch nicht die dazu geeigneten Polymere gefunden. Auch die möglichen Anwendungen sieht sie etwas weniger optimistisch: "Eine der beiden Oberflächen darf nicht steif, sondern muss flexibel sein. Sonst kann man die Verbindung nicht wieder lösen", sagt sie.

So wie in der Natur: Auch dort sind etwa die Füße eines Geckos nicht steif, sondern beweglich. Die Echse rollt die Füße ab, um die Verbindung wieder lösen zu können. Wie bei einem Klettverschluss löst sie so die Verbindung zwischen den Härchen und der Oberfläche nacheinander - wollte sie die ganze Fußfläche gleichzeitig lösen, müsste sie eine ungleich größere Kraft dazu aufwenden. "Für uns heißt das, dass zwei steife Oberflächen, die durch Hafthärchen verbunden sind, sich nur mit großem Aufwand wieder voneinander lösen können", erklärt Kesel. Denkbar wäre höchstens eine dehnbare Folie, die an beiden Seiten mit Nanostrukturen versehen ist. Auch die tausendfache Wiederverwertbarkeit etwa von Haftbändern zweifelt sie an: "Irgendwann setzt sich Staub zwischen die Härchen. Dann haften sie auch nicht mehr." Dennoch sei diese Form des Klebens eine enorme Verbesserung gegenüber herkömmlichen Varianten.

Schlechte Nachrichten hat sie allerdings für Heimwerker. Dass Hängeschränke mit solchen Haftbändern oder -folien befestigt werden könnten, sieht sie noch nicht: "Wand und Hängeschrank sind beides steife Oberflächen, ohne entsprechende dehnbare Folien kommt die Wand hinterher, wenn man den Schrank abmontieren will." Außerdem dürften sie nur an völlig unbehandelten Wänden angebracht werden - sonst hängt der Hängeschrank sehr fest an der Tapete, doch dafür gibt der Tapetenkleister nach.

Jana Schlütter

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