Der Gecko-Effekt

04.01.2005

Geckofüße haften nicht nur unglaublich gut, sie verfügen auch über einen beneidenswerten Selbstreinigungsmechanismus

Geckos sind wahre Kletterkünstler. Sie kommen jede Wand hoch, können an einem Zeh hängend von der Decke baumeln und meistern auch Glasflächen sicheren Fußes. Ihre Füße besitzen eine erstaunliche Haftkraft, nur an ihnen selbst bleibt nichts hängen: Geckofüße sind immer sauber; es klebt kein Schmutz an ihnen – egal wie fein er ist. In der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences berichten W. R. Hansen und K. Autumn vom Lewis & Clark College, warum das so ist.

Fußhaar mit Super-Haftkraft

Mit Saugnäpfen war es nicht zu erklären und auch nicht mit elektrostatischen Anziehungskräften oder Wassermolekülen. Es dauerte Jahrzehnte, bis Forscher herausfanden, was hinter dem "Geckophänomen" steckt. Warum ihre Füße an Oberflächen haften und sich doch mühelos wieder lösen: An den Füßen von Geckos sitzen Millionen von Härchen, so genannte Setae, die an ihren Spitzen in bis zu tausend winzige Wülste aufgespalten sind, die in der Fachsprache Spatulae heißen.

Tokee-Gecko, der eine Scheibe hinaufläuft.

Diese Haftballen haben auf engstem Raum eine so große Oberfläche, dass zwischen ihnen und dem Untergrund winzige Anziehungskräfte zwischen den Molekülen wirken – die Van-der-Waals-Kräfte – und dabei eine enorme Wirkung erzielen. In der Summe reicht die so entstehende Haftkraft aller vier Geckofüße aus, um rund 140 Kilogramm zu halten.

Trotzdem lösen sich ihre Fußsohlen bei jedem Schritt mühelos vom Untergrund: Geckos drücken ihre Füße zuerst auf den Boden auf, rollen sie sie dann wieder auf, dabei ändert sich der Winkel der Härchen, die Van-der-Waals-Bindung wird gelöst und die Echse kann ohne Kraftaufwand ihren Fuß von der Oberfläche lösen. Das funktioniert so ähnlich wie bei Klebestreifen.

Null Fußpflege

Da die Geckos mit ihren Füßen überall mühelos haften, stellt sich für die Wissenschaft die Frage, warum an den Füßen selbst nichts haften bleibt, die Tiere immer sauberen Fußes durchs Gelände stapfen. Denn Geckos gelten nicht eben als hingebungsvolle Fußpfleger. W. R. Hansen und K. Autumn vom Lewis & Clark College in Kalifornien sind dieser Frage mit ihrer Arbeitsgruppe nachgegangen. Bei Versuchen mit lebenden Tokee-Geckos (Gekko gecko) sowie mit einer Anordnung (Array) isolierter Gecko-Härchen stellten sie fest, dass die Fußbehaarung der Geckos eine Art selbstreinigendes Haftmittel ist.

Haftkraft mit Selbstreinigungseffekt

Die Forscher tauchten die Geckofüßchen in stark anhaftende Stoffe und nahmen die Fußabdrücke von einer Glasplatte. Dabei zeigte sich, dass die Geckos schon nach wenigen Schritten wieder saubere Füße hatten und in der Lage waren, eine vertikale Oberfläche hinaufzuklettern. Versuche mit den Setae-Arrays zeigten dasselbe Ergebnis. Hansen und Autumn gehen nun davon aus, dass die Selbstreinigung Ergebnis eines energetischen Ungleichgewichts zwischen den wirkenden Haftkräften ist. Sie berechneten, dass die Anziehungskräfte zwischen dem Schmutz und den Härchen geringer ist als die zwischen der Oberfläche und dem Schmutz. Für sie ist die Selbstreinigung in der besonderen Nanostruktur der Härchen begründet.

Fuß eines Tokee-Geckos. Man erkennt deutlich die Fußlamellen, unter denen die feinen Härchen (Setae) sitzen.

"Aus unseren Experimenten folgern wir, dass die Selbstreinigung eine Funktion des Kontakts mit einem Substrat und nicht einfach eine Folge der Fußbewegung ist. Wir folgern weiterhin, dass Selbstreinigung eine den Setae inhärente Eigenschaft ist", schreiben Autumn und Hansen.

Die Entschlüsselung des Lotus-Effekts hat den Glauben widerlegt, dass glatte Oberflächen besser zu reinigen sind als raue. Der nun entdeckte Gecko-Effekt zeigt auf, dass an etwas, das stark haftet, nicht unbedingt alles kleben bleibt.

Lotusähnliche Oberflächen erfordern Wasser als reinigendes Agens, die Selbstreinigung bei den Gecko-Härchen resultiert hingegen wahrscheinlich daher, dass es energetisch gesehen für die Schmutzpartikel vorteilhafter ist, auf der Oberfläche zu bleiben als an den Spatulae zu haften.

Die neuen Erkenntnisse sollen in die Entwicklung neuer selbstreinigender haftender Materialien einfließen.

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