Was kannst du vom Gecko lernen?

Was kannst du vom Gecko lernen?

Alexander Leontjew,
Kandidat der chemischen Wissenschaften
"Wissenschaft und Leben" №3, 2012

Die Natur hat sich überall um alles gekümmert
Du findest was zu lernen.
Leonardo da Vinci

Menschen neigen dazu, die Natur zu imitieren und daraus zu lernen. Es gibt viele Beispiele aus verschiedenen Epochen – von den Wachsflügeln von Ikarus über die schuppige Rüstung der römischen Legionäre oder die Flugmaschinen von Leonardo da Vinci bis hin zu modernen Klettverschlüssen, die nach dem Prinzip der Klettenstacheln arbeiten, mit denen Sie schnell Ihre Jacke oder Turnschuhe befestigen können.

Es gibt sogar einen ganzen Bereich der Wissenschaft – Bionik (aus dem Griechischen). BIOSwas das Leben bedeutet, und Mimesis – Nachahmung, Nachahmung). Biomimetik beschäftigt sich mit der Schaffung von Materialien, Technologien, Prozessen und Geräten, die auf Ideen aus der Natur basieren.

Seit über 100 Jahren haben Wissenschaftler versucht, den Mechanismus der Adhäsion und auf wissenschaftliche Weise zu verstehen – Haftung (von lat. Adhaesio – Adhäsion), eine Million Zotten, die sich auf den Beinen von Geckos befinden, auf jeder Oberfläche, auf der sich diese Eidechsen bewegen. Früher wurde angenommen, dass sie durch Kapillarkräfte und Kräfte, die während der Polarisation der Oberfläche und der Fasern durch Reibung entstehen, zurückgehalten werden.Und erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts zeigte sich der erste experimentelle Beweis, dass Geckos Van-der-Waals-Kräfte auch auf glattem und rutschigem Fensterglas festhalten. Die Borsten werden überhaupt nicht mit Wasser befeuchtet, haften aber ebenso gut an den nichtbenetzbaren und nassen Oberflächen. Wissenschaftler haben gezeigt, dass nicht die chemischen Eigenschaften der Oberfläche wichtig sind, sondern nur die Form und Größe der Zotten, die die Oberfläche berühren. Aufgrund dieses Wissens gelang es ihnen, den "Gecko-Effekt" mit synthetischen Materialien nachzubilden.

Die rasante Entwicklung der Nanotechnologie in den letzten Jahrzehnten hat dazu geführt, dass die Bionik sich der Entwicklung einzigartiger Materialien verschrieben hat. Dank der neuen Möglichkeiten der Elektronenmikroskopie und der Fortschritte bei der Herstellung und Herstellung von Nanostrukturen haben Wissenschaftler endlich die Möglichkeit, die Struktur und damit die Eigenschaften einiger natürlicher Materialien mit nützlichen und oft einzigartigen Eigenschaften zu reproduzieren.

Die Geschichte von "gekko-scotch" – von einem Klebeband, das im Labor hergestellt wurde, bis hin zum fertigen kleberlosen Klebeband mit erstaunlichen Hafteigenschaften – ist eines der vielen erfolgreichen Beispiele für biomimetische Ansätze in der Materialwissenschaft.

Der Schöpfer des Gecko-Scotch-Physik-Nobelpreisträgers im Jahr 2010, Andrei Geim ist bekannt als der Entdecker von Graphen und die Person, die die lebenden Frösche in einem Magnetfeld schweben ließ ("schweben"). Im Jahr 2003 erfand Game ein klebstofffreies Klebeband, das die Oberfläche der Pfoten eines Geckos auf einer Mikroebene reproduziert.

Die Fußsohle des Geckos ist vollständig mit den feinsten Zotten bedeckt; auf der rechten Seite – derselbe Fuß in der 30-fachen Vergrößerung: 1 mm2 seine Bereiche umfassen über 5.000 Zotten, zehnmal dünner als ein menschliches Haar. Fotos von geckolab.lclark.edu und Andrew Syred / Science Photo Library

Und diese Geschichte begann drei Jahre zuvor, als eine Gruppe amerikanischer Forscher das Geheimnis dieser tropischen Echsen enthüllt hat. Es stellte sich heraus, dass die Fähigkeit der Geckos (mit Ausnahme einiger Unterarten), leicht auf glatten vertikalen Flächen zu klettern und nicht von der Decke zu fallen, mit der Struktur der Pfotenohlen verbunden ist, die vollständig mit winzigen, 1/10 dicken menschlichen Haaren, Zotten, bedeckt sind. Aufgrund der Van-der-Waals-Wechselwirkung beträgt die Adhäsionskraft an der Oberfläche jeder dieser Zotten etwa 10-7 N. Da jedoch jeder Quadratmillimeter der Oberfläche der Beine mehr als fünftausend solcher Haare bedeckt, betrug die Gesamtadhäsionskraft unter den experimentellen Bedingungen 10 N / cm.2 – Dies ist ungefähr 1 kg Belastung.Theoretisch können 50-Gramm-Geckos mit allen ihren Zotten zwei Erwachsene an einer steilen Wand halten.

Jan van der Waals (1837-1923) ist ein niederländischer Physiker. In eine Tischlerfamilie geboren, arbeitete er als Lehrer. 1869 machte er eine Entdeckung – er beschrieb, wie die Moleküle einer Substanz miteinander wechselwirken. In der Folge fingen die Wissenschaftler an, die von ihm entdeckten physikalischen Kräfte, die aus der Wechselwirkung von Molekülen, Van-der-Waals-Kräften, hervorgingen, zu nennen. Der Physiker studierte das Verhalten von Molekülen in gasförmigen, festen und flüssigen Substanzen und machte eine Reihe von bedeutenden Entdeckungen auf dem Gebiet der theoretischen Molekülphysik. Van der Waals wurde 1877 zum Professor an der Universität von Amsterdam eingeladen, und 1910 erhielt er den Nobelpreis für Physik.

Polymerzotten "Gecko-Scotch"; auf der rechten Seite – die gleichen Zotten in Kontakt mit der Oberfläche. Fotos mit einem Elektronenmikroskop (Naturmaterialien 2, 461-463, 2003)

Andre Geim und seine Kollegen verwendeten die Methode der Elektronenstrahl-Lithographie, um die flauschige Oberfläche der Beine des Geckos zu reproduzieren und einen Polyimid-Polymerfilm mit der gleichen Mikrostruktur zu erzeugen. Gemäß den erhaltenen Daten, um eine 1 × 1 cm Filmprobe von glattem Glas abzureißen,eine Anstrengung von ungefähr 3 N ist erforderlich, und obwohl dies dreimal weniger ist als die Adhäsionskraft, die von den Beinen des Geckos entwickelt wird, nur 200 cm2 solch ein "Gecko-Scotch" (halb so groß wie ein Schulheft) wird ausreichen, um das Erwachsenengewicht niedrig zu halten. Ein solches "klebriges" Band könnte jedoch eine begrenzte Anzahl von Malen verwendet werden, da mikroskopische Polymerhaare in dem Vorgang des Anhaftens an der Adhäsion zerstört wurden.

Die Mikrostruktur des zementfreien Leimmaterials Gecko Nanoplastbasierend auf dem "Gecko-Effekt". Das Foto wurde mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen. Gecko® Band, Gottlieb Binder GmbH & Co.KG. Foto von www.materialica.de

In Zukunft waren Game und seine Mitarbeiter nicht an der Suche nach neuen Klebstoffen auf der Basis des "Gecko-Effekts" beteiligt. Inzwischen haben andere Forschungsteams in verschiedenen Teilen der Welt in relativ kurzer Zeit ihre eigenen Versionen von "Gecko-Scotch" erfunden. Am erfolgreichsten war vielleicht ein Silikonfilm Gecko Nanoplast. Mit einer Mikrovilliendichte von 29.000 Stück / cm2Ein solches "Gecko-Klebeband" gewährleistet eine zuverlässige wiederholte "trockene" Haftung sowohl auf glatten als auch auf rauhen Oberflächen. Die auffälligen Hafteigenschaften sind auf dem Foto unten dargestellt.Dieser Film wurde in Deutschland von der Gruppe von Professor S. Gorb vom Institut für Zoologie der Universität entwickelt. H. Albrecht (Kiel) in Kooperation mit der Firma Gottlieb Binder. Im Frühjahr 2011 Gecko Nanoplast in der Kategorie "neues Produkt" gewann die Goldmedaille des renommierten internationalen Industriedesignwettbewerbs.

Leimloser Film Gecko Nanoplast Größe von 20 × 20 cm ist in der Lage, das Gewicht eines Erwachsenen zu halten. Foto von Claudia Eulitz von www.uni-kiel.de

Die erstaunlichen Fähigkeiten von Geckos haben nicht nur für die Entwickler neuer Materialien, sondern auch für Spezialisten auf dem Gebiet der Robotik als Quelle der Inspiration gedient. Mit dem Aufkommen von "Gecko-Scotch" vor ihnen eröffneten sich neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Kletterrobotern, die nach dem gleichen Prinzip an steilen Wänden klettern wie ihre Gegenstücke in der Tierwelt. Zum Beispiel, Wissenschaftler von der University Case Western Reserve in den Vereinigten Staaten, die ihren eigenen Roboter erstellen, verwendet Gecko Nanoplast S. Gorba. Roboter "Miniver", entworfen an der Universität Case Western Reserve in den Vereinigten Staaten. Fotos von der Website biorobots.case.edu Und ihre Kollegen an der Stanford University erfanden ihre eigene Version von Klebstoff "Gecko-Film". Dafür fertigten sie spezielle Formen zum Gießen an, die Mikrovilli an den Beinen eines Geckos imitieren.Ferner wurden diese Matrizen mit Silikongummi behandelt, und das Ergebnis war ein Klebefilm mit einem "Gecko-Effekt".

Die Mikrostruktur der Gecko-Scotch-Fasern, entwickelt an der Stanford University. Das Foto wurde mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen. Foto von bdml.stanford.edu

Zu den Besonderheiten der Beine und Gliedmaßen anderer Geckos siehe Science and Life, Nr. 11, 2007.


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