Warum sie an der Decke gehen können

Nanosohlen halten Schwergewichte an der Decke. Das Geheimnis der Insektenfüsse ist gelüftet. Max-Planck-Forscher entdecken grundlegenden Mechanismus, der es Tieren erlaubt, sich mit winzigen Hafthärchen an den Füssen auch kopfüber zu bewegen. Winzige Hafthärchen an den Füssen erlauben es vielen Insekten, sich auch kopfüber und auf glatten Flächen zu bewegen.

von Rolf Höneisen

Biologische Haftungsmechanismen werden von der Nano- bis zur Mikroskala durch ein einfaches Gesetz bestimmt, dem Biologen und Materialforscher am Max-Planck-Institut für Metallforschung auf die Spur gekommen sind. Eduard Arzt, Stanislav Gorb und Ralph Spolenak beschreiben in “Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS, September 16, 2003, vol. 100, no. 19, 10603–10606), wie sich die Anzahl und Dichte der Härchen an den Fusssohlen von Käfern, Fliegen, Spinnen oder Geckos auf ihre Haftung auswirkt, sodass sie an den Wänden empor und an der Decke spazieren können.

Die Forscher fanden einen mathematischen Zusammenhang: Je grösser das Körpergewicht einer Tiergruppe, desto kleiner und zahlreicher sind die Haftkontakte. Vom Käfer, dessen Hafthärchen nur ungefähr zehn Mikrometer im Durchmesser messen, also nur ein Zehntel des menschlichen Haares, bis hin zum Gecko, dessen Härchen noch einmal um den Faktor hundert kleiner sind, findet man in der Insektenwelt die ausgeklügeltsten Haftsysteme.

Diese Forschungsergebnisse bergen ein Anwendungspotential für jede Art von Befestigungen, von wieder verwendbarem, selbst haftendem Klebeband bis zu komplexen Kletterrobotern.

Das Haftungsverhalten der Tiere lässt sich mit der Klassischen Kontaktmechanik, mit der man eigentlich die Haftung von Kugeln auf glatten Oberflächen beschreibt und die auf den so genannten Van-der-Waals-Kräften beruht, erklären. Da die Haftkraft des Einzelkontakts mit dem Umfang skaliert, führt die Aufspaltung grösserer Einzelkontakte in immer mehr Subkontakte dazu, dass die Effizienz des Kontaktsystems kontinuierlich steigt.

Zwar nimmt die Haftkraft des Einzelkontakts ab, wenn man ihn verkleinert, doch dieser Effekt wird durch die wachsende Zahl an Haftkontakten bei weitem kompensiert. Die Haftfähigkeit von Lebewesen kann somit über fünf Grössenordnungen im Gewichtsbereich von zehn Mikrogramm bis einhundert Gramm quantitativ beschrieben werden.

Diese Forschungsergebnisse zeigen, wie man durch feine Kontakthärchen kleberfreie Haftung erzielen kann. Schon heute kann die natürliche Grenze für die dünnsten Haare (Durchmesser ca. 200 Nanometer beim Gecko) technologisch unterschritten werden.

“Wollte ein Mensch an der Decke laufen”, meint Ralph Spolenak, “müssten sein Hände und Füsse mit Haftstrukturen bedeckt sein, deren einzelne Härchen maximal 10 bis 20 Nanometer im Durchmesser haben dürften.”

Originalartikel: Eduard Arzt, Stanislav Gorb, and Ralph Spolenak: From micro to nano contacts in biological attachment devices; published online before print September 5, 2003, 10.1073/pnas.1534701100, PNAS, September 16, 2003, vol. 100, no. 19, 10603–10606