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Bionik : Spinnen übernehmen die Haftung

  • -Aktualisiert am

Durchs Mikroskop gesehen: Ein Bein der Springspinne Evarcha arcuata Bild: dpa/dpaweb

Gleichgültig, ob an der schrägen Wand oder kopfüber an der Decke: Die acht Beine der Spinnen halten in jeder Lage besser als so mancher Kleber.

          Spinnen sind - schon dem ersten Eindruck nach - eine oftmals haarige Angelegenheit. So richtig behaart erscheinen viele Arten aber erst unter dem Elektronenmikroskop. Auf den Füßen der Achtbeiner wimmelt es nämlich von Tausenden mit zunehmender Vergrößerung immer feiner werdenden winzigen Fortsätzen. Und diese sind für eine bemerkenswerte Fähigkeit vieler Spinnen verantwortlich: Die Tiere finden auch an noch so glatten Oberflächen festen Halt.

          Wissenschaftler vom Institut für technische Zoologie und Bionik der Hochschule Bremen sowie von der Universität Zürich haben nun mit der atomaren Kraftmikroskopie die Haftfähigkeit der Spinnen genauer untersucht. Objekt der Studien von Antonia Kesel und ihren Kollegen waren Springspinnen der Art Evarcha arcuata, die ihre Beute nicht mit einem Netz fangen, sondern sie - wie der Name sagt - mit einem gezielten Sprung erlegen.

          Verschiebung der Ladung

          Hinter der bemerkenswerten Hafteigenschaft der Härchen von Evarcha arcuata steckt eine besondere Art von atomarer Anziehungskraft, die nach ihrem Entdecker, dem niederländischen Physiker Johannes Diderik van der Waals, benannt ist. Diese Van-der-Waals-Kraft entsteht, wenn sich die Ladungen von Kern und Elektronenhülle eines Atoms gegeneinander verschieben.

          Aus einem ursprünglich neutralen Atom wird dann ein elektrischer Dipol, der auf die Atome in unmittelbarer Nachbarschaft eine Anziehung ausübt. Dadurch entsteht auch zwischen elektrisch neutralen Oberflächen eine elektrostatische Anziehung. Diese wird allerdings nur auf äußerst kurzen Abständen wirksam.

          Glas - eine mikroskopische Hügellandschaft

          Aus dieser Tatsache erklärt sich, warum die Springspinne zu einer starken Miniaturisierung ihrer Haarpracht gezwungen ist. Denn je kleiner die Haare sind, desto besser können sich diese an die Oberfläche schmiegen, an der die Spinne Halt sucht. Eine Fläche wie eine Glasscheibe erscheint lediglich mit bloßem Auge betrachtet als glatt, in Wirklichkeit aber besteht sie aus einer mikroskopischen Hügellandschaft, die letztlich von einzelnen Atomen gebildet wird. Und zwischen diesen Oberflächenatomen und den Atomen der mikrometergroßen dreieckigen Haarenden kommt es zu einer starken Anziehung, die der Spinne überall und in jeder Lage - auch kopfüber an der Decke - Halt garantiert.

          An einer einzelnen solchen Kontaktfläche wirkt zwar nur eine winzige Kraft von rund vierzig milliardstel Newton, summiert man die Einzelkräfte der etwa 620.000 Kontaktflächen an allen Füßen einer Spinne auf, so ergibt sich aber eine beträchtliche Kraft von rund 0,03 Newton. Dadurch kann die Springspinne noch an der Oberfläche haftenbleiben, wenn die Belastung etwa das Hundertsiebzigfache des eigenen Körpergewichts beträgt. Das berichten Frau Kesel und ihre Kollegen in der Zeitschrift "Smart Materials and Structures", (Bd. 13, S. 512).

          Im Tierreich erfolgreich

          Zur Messung dieser Kräfte brachten die Bremer und Zürcher Forscher das abgeflachte Ende der Abtastnadel eines Rasterkraftmikroskops mit dem dreieckigen Ende des Spinnenhaares in Berührung. Anschließend übten sie auf die Kontaktfläche eine Zugkraft aus. Diejenige Kraft, bei der sich der Kontakt zwischen "Nadel" und Haarende löste, entspricht genau der Anziehungskraft eines einzelnen Härchens.

          Nicht nur die Spinnen verlassen sich auf die Vorzüge der Van-der-Waals-Kraft. Auch Geckos greifen auf dieses Prinzip zurück, wenn die winzigen Härchen an den Fußenden mit der Oberfläche in Kontakt treten, auf der sich das Tier gerade bewegt. Weil diese Technik im Tierreich so erfolgreich ist, liegt es nahe, sie auch für den Menschen nutzbar zu machen. Die Forscher denken dabei an Materialien mit mikroskopisch strukturierter Oberfläche, die - völlig unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung - nur aufgrund der überall herrschenden Van-der-Waals-Kräfte aneinander haften.

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