Bionik Kleben wie der Gecko

In den Zehen der kleinen Reptilien steckt enorme Haftkraft. Forscher wollen sie auch für Menschen nutzbar machen

Warum findet man Spinnen in der Badewanne? Klar: Neugier und Hunger locken sie rein, und dann kommen sie nicht wieder raus. Sie rutschen an der glatten Wannenwand ab. Doch das ist nur die halbe Wahrheit. Es gibt nämlich jede Menge Spinnen, die man nie in der Badewanne findet: Jagd- oder Springspinnen. Die bauen keine Netze, sondern fallen über die Beute her. Fällt eine solche Spinne in die Wanne, klettert sie wie Spiderman wieder raus. Egal wie glatt der Untergrund ist. Sie wandert auch mühelos über Fensterscheiben und sogar auf glatten Flächen kopfunter. Wie macht sie das? Was hat sie ihrer netzbauenden Verwandtschaft voraus?

Am Anfang jeder guten Wissenschaft steht das Staunen. Bionik, die Disziplin, die sich mit dem Wissenstransfer von der Biologie zur Technik befasst, ist wohl eine besonders gute Wissenschaft, da ihr zentrales Motiv das Staunen über die Leistungen der Natur ist. Damals, vor vier Jahren, staunte Antonia Kesel, Zoologin und Inhaberin des Lehrstuhls für Bionik an der Hochschule Bremen, über die Fähigkeiten von Evarcha arcuata. Die Springspinne »klebt« an Fensterglas und anderen glatten Oberflächen, und zwar ohne sich ihrer Kernkompetenz zu bedienen: der Produktion von Flüssigkeiten (man denke an den Spinnfaden).

Fliegen, das ist bekannt, sondern durch die »Fußsohlen« einen Klebstoff ab, der sie selbst bei Tempo 30 noch außen an der Windschutzscheibe hält. Doch Spinnen kleben trockenen Fußes. Unter einem Rasterelektronenmikroskop ist deutlich zu sehen, dass die Spinnenbeine in feine Härchen übergehen, welche wiederum von ultrafeinen Härchen besetzt sind. Von Flüssigkeit keine Spur. Hier passiert Kleben ohne Klebstoff – und so was macht den Bioniker heiß. Wie das funktioniert, wollte Frau Kesel der Spinne zu gern abgucken.

Kurz bevor man in Bremen begann, mittels eines so genannten Rasterkraftmikroskops an den nanofeinen Härchen (den setulae) der Spinne zu zupfen, um eventuelle Kleb- oder Adhäsionskräfte zu messen, erschien im Wissenschaftsmagazin Nature ein erstaunlicher Artikel zum Thema Die Klebkraft einzelner Geckofußhaare. Ein K. Autumn und seine Kollegen beschrieben dasselbe Phänomen bei einer völlig anderen Tierart: Das tropische Kleinreptil Gecko ist das größte bekannte Tier, das vollkommen glatte Wände rauf- und runterläuft.

Auch der Gecko, hatten die Amerikaner festgestellt, saugt sich dabei nicht fest, nutzt kleine Kapillarkräfte und braucht auch keinerlei Klebstoff. Die Forscher behaupteten: Dahinter stecken die ominösen Van-der-Waals-Kräfte. Das sind – im Molekularbereich wirkende – unvorstellbar winzige elektrostatische Anziehungskräfte. Kommen sich zwei Moleküle oder Atome nur nahe genug, ziehen sie einander mit einer schwachen Kraft im Nano-Newton-Maßstab an. Mit Van-der-Waals-Kräften erklärt man sich beispielsweise die Existenz von Edelgaskristallen bei sehr tiefen Temperaturen. Kommen sich zwischen zwei Flächen die Moleküle massenhaft nahe, entstehen Anziehungskräfte, die auch im Makrobereich spürbar sind.

Beim Gecko stellen Milliarden von Nanohärchen unter den Füßen diese Kontakte her. Diese Härchen heißen beim Gecko spatulae, sie sind jeweils nur etwa 200 Nanometer (milliardstel Meter) dick. Das immerhin 50 bis 100 Gramm schwere Tier klebt so mit der fantastischen Gesamtadhäsionskraft von 10 Newton (das entspricht etwa einem Kilopond) an vertikalen Wänden. Der Sicherheitsfaktor 10, um den die Klebkraft mindestens größer ist als sein Eigengewicht, erklärt, warum das Tier selbst an einem Zeh noch an der Terrariumscheibe hängen kann. Der Trick mit den Van-der-Waals-Kräften wurde von der Evolution offenbar mehrfach voneinander unabhängig entdeckt und für tauglich befunden, denn auch Spinnen und Insekten nutzen diese Adhäsionshilfen, die einen ausschließlich, die anderen unterstützend. Doch der Gecko hat das Prinzip zur Perfektion entwickelt.

Stuttgart, Max-Planck-Institut für Metallforschung. Niemand würde hier Fliegenbeinzähler und Eidechsenforscher erwarten. Und doch könnte es sein, dass hier das erste markttaugliche Klebeband entwickelt wird, das mittels »Geckotechnik« haftet. Institutsleiter Eduard Arzt ist Metallkundler. Sein Interesse gilt eigentlich »Skaleneffekten« bei metallischen Werkstoffen, also überraschenden Eigenschaften, die Werkstoffe annehmen, wenn man sie im Mikro- und Nanobereich betrachtet. Als Arzt von dieser Eidechse und ihrer Meisterschaft in der Nutzung von Van-der-Waals-Kräften hörte, erwachte sein Interesse. Auch hier witterte er Skaleneffekte. Denn just der dicke Gecko hat die feinsten Klebehärchen. Die Adhäsionskraft ist umso größer, je kleiner die Kontaktfläche zwischen Tier und Oberfläche ist. Das ergibt geradezu frappierende Zahlen im Makrobereich. »Im Idealfall«, sagt Eduard Arzt, »wirken Van-der-Waals-Kräfte so stark, dass man an einem Seil von einem Zentimeter Durchmesser ein Auto ankleben könnte.«