News: Super kleben ohne Kleber
Wollten Sie schon immer mal die Wände hochgehen? In wenigen Jahren dürfte das möglich sein. Eine neue Hightech-Folie, die nach dem Vorbild der Geckozehen arbeitet, haftet fest auf jedem Untergrund und lässt sich rückstandsfrei ablösen. Doch leider ist der Prototyp für den alltäglichen Einsatz noch zu teuer und zu empfindlich.
"Wir sollten mehr von dem Material haben und einen Studenten draußen ans Fenster hängen", ulkte Andre Geim von der University of Manchester mit typisch britischem Humor. "Aber das wäre eine Verschwendung von Ressourcen – womit ich natürlich die Haftfolie meine."
Witz hin oder her, technisch machbar wäre es mit der neuesten Entwicklung aus Geims Labor schon, das Gewicht eines durchschnittlichen Menschen an einer Wand oder der Decke anzubringen – ohne Klebstoff, Öse oder Haken. Der Untergrund dürfte sogar glatt wie Glas sein, und die Kontaktfläche wäre lediglich so groß wie eine Hand. Ausgestattet mit entsprechenden Schuhen und Handschuhen könnte ein Mensch tatsächlich und buchstäblich eine Häuserwand hochkrabbeln und sich wie Spiderman im Kino an der Zimmerdecke verbergen.
Derartige Kunststückchen vollführen normalerweise eher kleinere Tiere wie zum Beispiel Geckos. Vor wenigen Jahren kamen Wissenschaftler hinter das Geheimnis, auf welche Weise die Echsen sich selbst an Glasscheiben über Kopf halten können. Ausgerechnet die schwächsten aller bekannten Bindungskräfte sind dafür verantwortlich. Die so genannten Van-der-Waals-Kräfte entstehen dadurch, dass die Elektronen in einem Molekül zufällig mal ungleichmäßig verteilt sind und kurzzeitig ein winziger elektrischer Dipol entsteht. Noch bevor er verschwindet, reagieren die Elektronen des benachbarten Moleküls darauf, indem sie ebenfalls einen Dipol mit entgegengesetzter Ausrichtung bilden. Die beiden Dipole ziehen vorübergehend einander an. Das Ganze wiederholt sich rasend schnell, Dipole entstehen und vergehen, und im zeitlichen Mittel hält eine schwache Kraft die betreffenden Moleküle zusammen.
Eine einzige Van-der-Waals-Bindung kann zwar getrost vernachlässigt werden, wenn aber Milliarden dieser kleinen Brücken zusammenwirken, kommt eine bemerkenswerte Haftkraft heraus. An jedem seiner Füße trägt ein Gecko rund 500 000 Härchen, von denen jedes mit Hunderten spatelförmiger Stäbchen besetzt ist. Tritt der Gecko auf, legen die Stäbchen sich eng an den Untergrund und bilden unzählige Van-der-Waals-Bindungen aus. Ein Kilogramm Gewicht könnte ein Füßchen so halten – weit mehr als das ganze Tier wiegt. Und sollte die Wand einmal feucht sein, sorgen die Kapillarkräfte des Wassers für den Kontakt. Ein phantastischer Haftmechanismus also, der blitzschnell wirkt und sich wieder lösen lässt, ohne irgendwelche Spuren zu hinterlassen.
So einen "kleberfreien Kleber" wollte das Team um Geim künstlich nachbauen. In ersten Testreihen bastelten die Materialwissenschaftler mit Hilfe von atomaren Kraftmikroskopen in mühevoller Handarbeit verschieden geformte mikroskopische Stäbchen und prüften nach, welche Form die stärkste Haftkraft lieferte. Es folgten Experimente zur idealen Länge und Dichte der feinen Fädchen. Schließlich fertigten sie mit Verfahren aus der Nanotechnologie einen kleinen Prototypen von etwa einem Quadratzentimeter Fläche.
Ob der Hightech-Haftfilm aus dem Labor mit den Fähigkeiten einer gewöhnlichen Geckozehe konkurrieren könnte? Was die Kraft anbelangt, sind die Forscher offensichtlich schon dicht am Original: drei Newton – ungefähr die Gewichtskraft von drei Tafeln Schokolade – konnte der Film im Experiment halten, der Gecko bringt es auf zehn Newton pro Quadratzentimeter. Hochgerechnet auf die Fläche einer menschlichen Hand wäre das genug, um vorsichtig an der Zimmerdecke zu baumeln. Die Unebenheiten des Untergrundes wären dabei kein Problem: Der flexible Haftfilm passt sich von selbst an, sodass eine möglichst große Anzahl der Stäbchen Kontakt bekommt.
Sorgen bereitet den Wissenschaftlern allerdings noch die Haltbarkeit. Ihr Prototyp machte sieben bis acht "Klebe-Ablöse"-Zyklen mit, dann verlor er an Kraft. Unter dem Elektronenmikroskop zeigte sich, dass ein Teil der Stäbchen gebrochen war oder an der Basis des Films fest auflag. Mit neuen Materialien und eventuell einem Mix aus verschiedenen Stoffen wollen die Forscher das Problem der Lebensdauer demnächst angehen.
Hat der Haftfilm nach Gecko-Art endlich die Serienreife erlangt, wird er neben der Fassadenkletterei noch viele andere Anwendungsgebiete finden. Als Belag von Reifen könnte er die Fahrbahnlage verbessern oder bei Operationen Gewebestücke miteinander verbinden. Mit Sicherheit wird auch die Spielzeugindustrie ein Auge auf den "klebstofffreien Kleber" werfen, und die Forscher dürften nichts dagegen einzuwenden haben. Denn schließlich hing bei einem ihrer Tests eine Plastikfigur von Spiderman an einer Glasplatte. "Theoretisch könnte er dort ewig baumeln", sagte Geim.
Witz hin oder her, technisch machbar wäre es mit der neuesten Entwicklung aus Geims Labor schon, das Gewicht eines durchschnittlichen Menschen an einer Wand oder der Decke anzubringen – ohne Klebstoff, Öse oder Haken. Der Untergrund dürfte sogar glatt wie Glas sein, und die Kontaktfläche wäre lediglich so groß wie eine Hand. Ausgestattet mit entsprechenden Schuhen und Handschuhen könnte ein Mensch tatsächlich und buchstäblich eine Häuserwand hochkrabbeln und sich wie Spiderman im Kino an der Zimmerdecke verbergen.
Derartige Kunststückchen vollführen normalerweise eher kleinere Tiere wie zum Beispiel Geckos. Vor wenigen Jahren kamen Wissenschaftler hinter das Geheimnis, auf welche Weise die Echsen sich selbst an Glasscheiben über Kopf halten können. Ausgerechnet die schwächsten aller bekannten Bindungskräfte sind dafür verantwortlich. Die so genannten Van-der-Waals-Kräfte entstehen dadurch, dass die Elektronen in einem Molekül zufällig mal ungleichmäßig verteilt sind und kurzzeitig ein winziger elektrischer Dipol entsteht. Noch bevor er verschwindet, reagieren die Elektronen des benachbarten Moleküls darauf, indem sie ebenfalls einen Dipol mit entgegengesetzter Ausrichtung bilden. Die beiden Dipole ziehen vorübergehend einander an. Das Ganze wiederholt sich rasend schnell, Dipole entstehen und vergehen, und im zeitlichen Mittel hält eine schwache Kraft die betreffenden Moleküle zusammen.
Eine einzige Van-der-Waals-Bindung kann zwar getrost vernachlässigt werden, wenn aber Milliarden dieser kleinen Brücken zusammenwirken, kommt eine bemerkenswerte Haftkraft heraus. An jedem seiner Füße trägt ein Gecko rund 500 000 Härchen, von denen jedes mit Hunderten spatelförmiger Stäbchen besetzt ist. Tritt der Gecko auf, legen die Stäbchen sich eng an den Untergrund und bilden unzählige Van-der-Waals-Bindungen aus. Ein Kilogramm Gewicht könnte ein Füßchen so halten – weit mehr als das ganze Tier wiegt. Und sollte die Wand einmal feucht sein, sorgen die Kapillarkräfte des Wassers für den Kontakt. Ein phantastischer Haftmechanismus also, der blitzschnell wirkt und sich wieder lösen lässt, ohne irgendwelche Spuren zu hinterlassen.
So einen "kleberfreien Kleber" wollte das Team um Geim künstlich nachbauen. In ersten Testreihen bastelten die Materialwissenschaftler mit Hilfe von atomaren Kraftmikroskopen in mühevoller Handarbeit verschieden geformte mikroskopische Stäbchen und prüften nach, welche Form die stärkste Haftkraft lieferte. Es folgten Experimente zur idealen Länge und Dichte der feinen Fädchen. Schließlich fertigten sie mit Verfahren aus der Nanotechnologie einen kleinen Prototypen von etwa einem Quadratzentimeter Fläche.
Ob der Hightech-Haftfilm aus dem Labor mit den Fähigkeiten einer gewöhnlichen Geckozehe konkurrieren könnte? Was die Kraft anbelangt, sind die Forscher offensichtlich schon dicht am Original: drei Newton – ungefähr die Gewichtskraft von drei Tafeln Schokolade – konnte der Film im Experiment halten, der Gecko bringt es auf zehn Newton pro Quadratzentimeter. Hochgerechnet auf die Fläche einer menschlichen Hand wäre das genug, um vorsichtig an der Zimmerdecke zu baumeln. Die Unebenheiten des Untergrundes wären dabei kein Problem: Der flexible Haftfilm passt sich von selbst an, sodass eine möglichst große Anzahl der Stäbchen Kontakt bekommt.
Sorgen bereitet den Wissenschaftlern allerdings noch die Haltbarkeit. Ihr Prototyp machte sieben bis acht "Klebe-Ablöse"-Zyklen mit, dann verlor er an Kraft. Unter dem Elektronenmikroskop zeigte sich, dass ein Teil der Stäbchen gebrochen war oder an der Basis des Films fest auflag. Mit neuen Materialien und eventuell einem Mix aus verschiedenen Stoffen wollen die Forscher das Problem der Lebensdauer demnächst angehen.
Hat der Haftfilm nach Gecko-Art endlich die Serienreife erlangt, wird er neben der Fassadenkletterei noch viele andere Anwendungsgebiete finden. Als Belag von Reifen könnte er die Fahrbahnlage verbessern oder bei Operationen Gewebestücke miteinander verbinden. Mit Sicherheit wird auch die Spielzeugindustrie ein Auge auf den "klebstofffreien Kleber" werfen, und die Forscher dürften nichts dagegen einzuwenden haben. Denn schließlich hing bei einem ihrer Tests eine Plastikfigur von Spiderman an einer Glasplatte. "Theoretisch könnte er dort ewig baumeln", sagte Geim.
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