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Klebstoffe : Den Käfern auf die Füße geschaut

  • -Aktualisiert am

Auf Stelzen gebaut: Neuartige Folie mit Saugnäpfen Bild: MPI für Metallforschung Stuttgart

Wenn die Natur als Vorbild dient: Eine Folie haftet dank vieler kleiner Saugnäpfe auch unter Wasser, und der Botenstoff Dopamin verwandelt sich in einen Superkleber. Den Käfernfüßen und Muscheln sei Dank.

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          Viele Klebstoffe halten unter Wasser nicht mehr das, was sie an der Luft versprechen. So lässt die Klebewirkung häufig bei Feuchtigkeit nach, weil die Haftsubstanzen sich im Wasser auflösen. Hinzu kommt, dass die Wassermoleküle die Anziehungskräfte zwischen den verklebten Teilen herabsetzen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart haben nun ein Material entwickelt, das auch unter Wasser zuverlässig haftet. Dabei bedienten sich Michael Varenberg und Stanislav Gorb eines natürlichen Vorbilds - der Füße von Käfern. Käferfüße haben - wie ein Blick durch das Elektronenmikroskop schnell verrät - an ihrer Unterseite eine Vielzahl winziger Stempel sitzen.

          An deren Enden befinden sich kleine Kontaktflächen, die ähnlich wie ein Saugnapf funktionieren. Beim Auftreten des Käferfußes bildet sich ein Unterdruck. Da die Wassermoleküle nur schwer in den Zwischenraum von Saugnapf und Oberfläche eindringen können, finden Käfer auch im Wasser mühelos Halt. Der Haftmechanismus der Käfer unterscheidet sich grundlegend von demjenigen anderer Tiere. Geckos etwa haften sogar auf absolut glatten Materialien wie Glas dank der Van-der-Waals-Kräfte zwischen ihren winzigen Härchen an den Fußenden und den Molekülen der Oberfläche. Ein solcher auf elektrostatische Anziehung basierender Mechanismus, der nur auf kurzen Distanzen wirkt, würde unter Wasser deutlich an Stärke verlieren.

          Saugnapfähnliche Kontaktflächen

          Um nun den besonderen Vorteil der Käferfüße nutzen zu können, haben Varenberg und Gorb einen dünnen Haftfilm hergestellt, dessen Oberfläche genauso gestaltet war wie das Fußende der Insekten. Dazu fertigten die beiden Forscher zunächst eine Art Gussform von den Stempeln mit den Saugnäpfen an, in die sie anschließend den flüssigen Kunststoff Polyvinylsiloxan gossen, der nach einiger Zeit polymerisierte und sich verfestigte. Unter dem Elektronenmikroskop zeigte der fertige Film die erwünschte Struktur. Winzige, etwa 100 Mikrometer hohe Stempel ragten dicht an dicht aus der Folienoberfläche hervor, an deren Ende sich die saugnapfähnlichen Kontaktflächen mit einem Durchmesser von jeweils rund 50 Mikrometer befanden.

          Die Forscher verglichen anschließend die Haftwirkung der neuartigen Klebefolie mit derjenigen einer glatten unstrukturierten Folie aus demselben Kunststoff an Luft und unter Wasser. Sie legten dazu zwei einen Millimeter dicke und zwei Zentimeter große Folienstücke jeder Sorte auf ein Glassubstrat und ermittelten die Kraft, bei der sich das jeweilige Material von der Unterlage löste. Wie die Forscher in der Online-Ausgabe des „Journal of the Royal Society Interface“ (doi: 10.1098/rsif2007.1171) berichten, haftete die strukturierte Folie an Luft doppelt, unter Wasser sogar zwanzigmal so gut wie das glatte Pendant. Der Grund für das schlechte Abschneiden der glatten Oberfläche war, dass bei Kontakt mit Wasser die elektrostatische Van-der-Waals-Kraft, auf der die Haftung des unbehandelten Kunststoffs normalerweise beruht, offensichtlich stark vermindert wurde.

          Unter Wasser noch stärkerer Haft

          Ganz anders die vom Käfer inspirierte Folie: Unter Wasser wurde die Haftung sogar noch verstärkt, da die Wassermoleküle nun nicht mehr wie Luftmoleküle in den Hohlraum unter den Saugnäpfen eindringen konnten. Zudem zeigte der strukturierte Kunststoff wasserabweisende Eigenschaften, die das Eindringen von Flüssigkeit in den Hohlraum nochmals erschwerten. Damit blieb der Unterdruck unter Wasser länger erhalten als an Luft. Mikrostrukturen, die Käferfüßen nachempfunden sind, sind offenkundig nicht nur die einzige Möglichkeit, auch bei Nässe eine verbesserte Haftwirkung zu erzielen. So haben Wissenschaftler von der Northwestern University in Evanston (Illinois) einen synthetischen Klebstoff entwickelt, für den die gemeine Miesmuschel Pate stand.

          Die Wasserbewohner produzieren spezielle Proteine, mit denen sie ihre Schalen fest an Steine, Schiffsrümpfe und jeden anderen Untergrund heften können. Die Eiweiße sind reich an den Aminosäuren Lysin und L-Dopa. Letztere wird auch als Wirkstoff gegen Parkinson verwendet. Die Miesmuschel nutzt L-Dopa allerdings in völlig anderer Weise: Die Substanz bildet auch im Wasser mit jeder Oberfläche feste kovalente Bindungen. Das haben Philip Messersmith und seinen Kollegen für ihre Zwecke genutzt, jedoch statt des L-Dopa das damit verwandte Dopamin verwendet. Diese Substanz, die als Botenstoff im Gehirn vorkommt, lösten die Forscher in Wasser und tauchten einen Gegenstand in die Flüssigkeit hinein.

          Metall und Kunststoff problemlos beschichtet

          Als Messersmith und seine Kollegen den Säuregrad der Lösung an denjenigen von Meerwasser anglichen, bildeten die Dopamin-Moleküle einen Polymerfilm, der sich über den Gegenstand legte und dessen Oberfläche vollständig bedeckte. Nach 24 Stunden hatte sich eine 50 Nanometer dicke Schicht gebildet. Auf diese Weise haben die Forscher verschiedene Metalle, Halbleiter und Kunststoffe, aber auch Glas und Keramiken mit klebenden Poly-Dopamin-Filmen beschichten können, die auch unter Wasser fest hafteten (“Science“, Bd. 318, S. 426). Die so behandelten Gegenstände ließen sich anschließend ohne Schwierigkeit mit einem Metall oder Kunststoff beschichten.

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