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TrendDie Natur als Vorbild

Der Gecko-Effekt: Wie Licht Mini­ro­boter steuern könnte

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Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Forschern der Christian-Albrechts-Universität Kiel (CAU) ist es gelungen, ein bioinspi­riertes Haftmate­rial zu entwerfen. Es wird mit UV-Licht ferngesteuert und könnte Objekte im Mikrobereich transpor­tieren.

28. März 2017

Lamellenge­ckos sind meisterhafte Virtuosen der trockenen Adhäsion. Dank ihrer mit Milliarden feinster Härchen (Spatulae; etwa 200 Nanometer breit und lang) besetzten Füße können diese kleinen Echsen kopfüber Glasscheiben entlang laufen. Sie haften mühelos ohne Klebstoff oder Saugnäpfe, sondern nur aufgrund der wirkendenden Van-der-Waals-Kräfte, die die trockene Adhäsion erklären.

Haften ohne zu kleben

Benannt nach dem niederlän­di­schen Physiker Johannes Diderik van der Waals sind diese Kräfte Wechselwir­kungen zwischen den Atomen und Molekülen – eine Art biologischer Magnet. Theoretisch könnte ein Gecko, dessen Haare alle gleichzeitig in Kontakt mit einer Oberfläche stehen, bis zu 133 Kilogramm heben. In der Natur sorgen mechanische Stimuli wie Muskelbe­we­gungen dafür, dass die Tierbeine an Oberflächen haften und sich wieder lösen. Die Kieler Wissenschaftler nutzen stattdessen ultravio­lettes Licht, um ihren künstlichen Haftmecha­nismus zu kontrollieren.

„Wir kombinieren zwei intelligente Materialien“, berichtet Emre Kizilkan aus der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik vom Zoologischen Institut der CAU. Das Forscher­team verbindet dafür einen Silikon-Kunststoff aus Polydime­thyl­siloxan (PDMS) mit einem lichtaktiven flüssig-kristallinen Elastomer. Die Oberfläche der etwa 100 Mikrometer dünnen PDMS-Schicht weist auf der Außenseite eine Mikrostruktur von pilzkopf­för­migen Haftelementen auf und simuliert die Anordnung der Geckohär­chen. PDMS ist ein Silikonelast­omer, ähnlich dem Kunststoff wie ihn der Zahnarzt für Gebissab­drücke verwendet.

Fertig ist das Kieler Gecko-Sandwich

Auf diese durch Geckofüße inspirierte Haftschicht deponieren die Forscher eine zweite Lage aus lichtaktivem Material mit der organischen Verbindung Azobenzol als wichtigstem Bestandteil. Der Clue dabei: Mit einer bestimmten molekularen Anordnung des flüssigkris­tal­linen Elastomer (liquid-crystalline elastomers, LCE) können die Kieler Wissenschaftler unter Zuhilfenahme von ultravio­lettem Licht muskelähn­liche Bewegungen mit dem Material ausführen. Biologische Muskeln können chemische Energie in mechanische Arbeit umsetzen; die „Muskelschicht“ aus Kiel benötigt Licht als Energiequelle dazu.

Auf diese zwei Schichten legen die Wissenschaftler noch eine zusätzliche schützende Lage aus Silikon-Kunststoff. Fertig ist „das Kieler Gecko-Sandwich“. Mit den filigranen Silikonsäulen haftet nun das Komposit­ma­te­rial auf glatten Flächen sowie dreidimen­sio­nalen Objekten mit gewölbten Oberflächen. Nun kommt noch Bewegung in das bis dahin statische Schichten­mo­dell.

Bewegung durch Lichtstrahlen

Mit ultravio­lettem Licht bei einer Wellenlänge von 365 Nanometern (UV-A Schwarzlicht­strahler) bestrahlt, verformt sich die mittlere Schicht aus dem azobenzol­hal­tigen, flüssig-kristallinen Elastomer. Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler eine Lampe in der Größe eines Kugelschrei­bers und einer Intensität von 500 Watt pro Quadratzen­ti­meter. Zum Vergleich: Die Strahlungs­in­ten­sität unter wolkenlosem Himmel am Äquator um 12 Uhr mittags liegt bei etwa 0,3 Watt pro Quadratmeter.

Durch die starke UV-Strahlung krümmt sich die Silikonschicht als Reaktion auf die fließenden Azobenzol-Moleküle. Dabei lösen sich die Silikonhär­chen etwas ab und die Adhäsions­kräfte gehen drastisch zurück: „30 Sekunden Licht ergeben rund drei Prozent Material­de­for­ma­tionen und die Adhäsions­kräfte reduzieren sich um etwa ein Drittel“, sagt Kizilkan. Ohne UV-Bestrahlung nimmt das Material nach etwa fünf Sekunden wieder seine ursprüng­liche Form an. Die Material­kom­po­si­tion zeigt auch nach 10.000 Behandlungen bislang keine Ermüdungs­er­schei­nungen.

Transporte auf Mikroebene ohne Rückstände

„Mit unserem neuen Material sind wir in der Lage, den Transport von Objekten auf Mikroebene sehr präzise zu steuern“, erklärt Kizilkan. Außerdem hinterlässt das bioinspi­rierte Klebemate­rial keine Rückstände auf den Objekten. Versuche mit ersten Testgrei­fern verliefen erfolgreich. Das Kieler Team hat auf diese Weise kleine Glaskügel­chen, Deckgläser für Mikroskop­proben und sogar kleine Pipetten aus Plastik aufnehmen, transpor­tieren und wieder absetzen können. Die Entdeckung der Forschungs­gruppe ist deshalb beispiels­weise interessant für den Bau von empfindli­chen Sensoren oder winzig kleinen Computer­chips.

Andere Forscher­gruppen konzipierten bereits ebenfalls schaltbare Haftmate­ria­lien nach dem biologischen Abbild der äußerst fein strukturierten Geckofüße. Um diese Konstruk­tionen zu bewegen, mussten sie abwechselnd erhitzt und wieder gekühlt werden, oder sie benötigten eine umfangreiche elektroni­sche Steuerung. Die Kieler Gecko-Entwicklung lässt sich mit UV-Licht viel einfacher, schneller und zuverläs­siger kontrollieren. „Langfristig wollen wir das neue Material nutzen, um lichtgesteu­erte Mikroroboter zu entwickeln, die ferngesteuert Wände hochklet­tern können“, konstatiert Kizilkan.