Vidhäftning vid 180 000 bilder per sekund

Forskare dechiffrerar den framgångsrika modellen för naturliga interneringsorgan

Skanna elektronmikrografier av svampformade självhäftande strukturer av en hanbladbagge (vänster) och Gecko®-tejpen (till höger), vars limelement är modellerade på de på skalbaggen. © Stanislav N. Gorb
läsa högt

Ansvar är en oerhört viktig effekt i naturen. Gekko, spindlar och insekter kan springa upp väggar, växter kan skjuta upp på dem och till och med celler kan fästa vid ytorna. Under utvecklingen har svampformade fötter och organ med optimala vidhäftningsegenskaper utvecklats i många arter. Kiel-forskare har nu upptäckt varför denna speciella form gör de naturliga vidhäftande organen så framgångsrika: Det garanterar en jämn fördelning av spänningen mellan ytan och det självhäftande elementet. Forskarna publicerade nyligen detta resultat i tidskriften Physical Review Letters.

Från bakterier till vinstockar

Förutom ytans grovhet bestämmer särskilt kontaktens form betydligt hur mycket något som är ansvarigt. I naturen har särskilt den svampformade självhäftande geometri rådat. Formen på de enskilda limkontakterna påminner om sugkoppar. Exempel sträcker sig från vidhäftningen av bakterien Caulobacter crescentus till ytor, till svampformade pinnhår från vissa bladbladbaggar, till slingorna av vildvin. "Denna speciella kontaktgeometri skapades oberoende av varandra. Detta pekar på en evolutionär anpassning av organismerna, vilket ytterligare förbättrar deras ansvar, "säger medförfattaren Stanislav Gorb, en biolog vid Christian-Albrechts-Universität i Kiel.

Men vilka är de mekaniska fördelarna med denna svamphuvudform? Det tvärvetenskapliga forskargruppen under ledning av fysiker Lars Heepe i Kiel kom till botten av denna fråga. Gruppen antog det så kallade Gecko®-bandet, en självhäftande film som utvecklats vid Kiel University i samarbete med Gottlieb Binder GmbH. Deras vidhäftande element med en diameter på cirka 20 mikron modelleras på fötter på gekkoer och bladbaggar. De håller sig fast vid fuktiga och hala ytor och kan användas om och om igen utan rester.

Byte av två olika mikrostrukturerade självhäftande filmer. Även om upplösningen på makroskopisk nivå är liknande, representerad av skuggningen mellan de enskilda strukturerna (ljus: Abl sen, mörk: i kontakt), skiljer sig Abl severhalten väsentligt på nivån för enskilda strukturer. (a) i platt stämpelgeometri beror avståndet från konstruktionens omkrets på spänningskoncentrationer i kanterna (se inlägg). (b) Den tunna vidhäftningsplattan på svamphuvudelementen förhindrar dessa spänningskoncentrationer och säkerställer en homogen spänningsfördelning (se inlägg). Därför upplöses dessa strukturer från insidan till utsidan. Heepe et al. / Fysiska granskningsbrev

Forskarna registrerade upplösningsprocessen för de enskilda mikrostrukturerna under mikroskopet i högsta upplösning och med 180 000 ramar per sekund. "Det visade att det faktiska ögonblicket för borttagningen, det vill säga perioden från förekomsten av en defekt i kontaktområdet till fullständig upplösning, bara är några få mikrosekunder." säger Heepe. Kontakten stängs av upp till tolv meter per sekund, en anmärkningsvärt hög hastighet på så kort tid.

Enhetlig spänning säkerställer håll

"Detta är bara möjligt om det finns en enhetlig fördelning av spänningen mellan det svampformade limelementet och underlaget, " förklarar Heepe. Endast på detta sätt kan den nödvändiga elastiska energin för sådana hastigheter lagras under retardationsprocessen. Eftersom andra limgeometrier, som stämplade kontaktpunkter, genererar lokala spänningskoncentrationer och upplöses först vid kanterna. display

Å andra sidan förhindrar den tunna limplattan på svamphuvudena, som i det konstgjorda framställda Gecko -tejpen, sådana spänningstoppar och frigör sig därför från insidan till utsidan. Det kräver mycket styrka vidhäftningen är motsvarande stark. Om du någonsin velat lossa en sugkopp från badrumsbrickorna vet du: att rulla från kanten är lättare än att dra i hela sugkoppen.

(Physical Review Letters, 2013; doi: 10.1103 / PhysRevLett.111.104301)

(Christian-Albrechts-University Kiel, 16.10.2013 - AKR)