Neue Details zur Haftkraft von Geckos Mit fettigen Füßen die Wand rauf

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Geckos halten ohne Klebstoff an der Wand. Dass ihre Füße dazu eine besondere Mikrostruktur aufweisen, ist schon länger bekannt. Nun haben Forscher womöglich das nächste Geheimnis der Gecko-Haftkraft entschlüsselt: Es ist ein feiner Fettfilm.

Gaithersburg/USA, Aarhus/Dänemark, Kiel – Geckos sind berühmt dafür, an senkrechten Oberflächen mühelos hinaufzuklettern und haben damit bereits Anwendungen wie extrem starkes Klebeband inspiriert. Diese „Superkraft“ verdanken die Echsen Millionen von mikroskopisch kleinen, haarähnlichen Strukturen auf ihren Zehen, den so genannten Setae.

Ein internationales Forschungsteam hat diese Strukturen jetzt genauer untersucht als bisher. Mit hochenergetischer Röntgenstrahlung aus dem Teilchenbeschleuniger des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) stellten sie einen hauchdünnen Film aus Lipidmolekülen fest, der zur extrem guten Anhaftung der Setae entscheidend beitragen könnte. Ein besseres Verständnis von solchen molekularen Strukturen könnte weitere von der Natur inspirierte Produkte ermöglichen.

Stärkere Haftkraft durch hauchdünne Fettschicht

Die Setae-Härchen an den Geckofüßen sind so fein und flexibel, dass sie auch auf unebenen Oberflächen sehr gut anliegen. Noch kleinere Strukturen an ihren Enden, die Spatulae, stehen in so engem Kontakt mit der Oberfläche, dass ihre Elektronen in Wechselwirkung treten. Damit erzeugen sie eine Art Anziehungskraft, die so genannten Van-der-Waals-Kräfte. Verändert der Gecko den Winkel der Setae, werden diese Kräfte unterbrochen: Der Fuß löst sich ab und der Gecko kann seinen nächsten Schritt machen – selbst an senkrechten Wänden hoch.

„Über diese mechanische Funktionsweise von Setae war schon vieles bekannt. Jetzt verstehen wir noch besser, wie sie in Bezug auf ihre molekulare Struktur funktionieren“, sagt Dr. Cherno Jaye, Physiker am NIST. Gemeinsam mit Kollegen analysierte er die Oberfläche der Setae mit hochenergetischer Röntgenstrahlung. Das dafür verwendete Synchrotronmikroskop zeigt dicht angeordnete Lipidmoleküle auf der Setaeoberfläche.

Diese gerade einmal einen Nanometer dünne Schicht könnte bei der Haftung eine zentrale Rolle spielen. Denn Lipide sind hydrophob, also wasserabweisend. „Deshalb können sie hauchdünne Wasserschichten unter den Spatulae wegdrücken und so einen engeren Kontakt mit der Oberfläche herstellen“, erklärt Physiker Tobias Weidner, Assoziierter Professor an der Universität Aarhus, Dänemark. „Das würde Geckos helfen, auch auf hydrophilen und sogar feuchten Oberflächen zu haften.“

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Die Setae und Spatulae bestehen aus einer Art Keratinprotein, das dem im menschlichen Haar und Fingernägeln ähnelt. In einer weiteren Arbeit zeigten die Forscher, dass die feinen Keratinfasern in Richtung der Setae ausgerichtet sind – vermutlich, um ihre mechanische Stabilität und ihre Abriebfestigkeit zu erhöhen.

„Ich finde es spannend, wie in diesem biologischen System alles perfekt optimiert ist, von der Makro- über die Mikro- bis zur Molekularebene“, sagt Stanislav Gorb von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Der Professor für funktionelle Morphologie und Biomechanik hat für die Studie u. a. Untersuchungen am Raster- und Transmissionelektronenmikroskop durchgeführt, um die äußeren und inneren Spatuale-Strukturen im Detail zu zeigen. „Die Ergebnisse sind hilfreiche Impulse für Ingenieurinnen und Ingenieure, die sich für neue technische Entwicklungen von der Natur inspirieren lassen wollen.“

Dr. Dan Fischer, Physiker am NIST, ergänzt: „Denkbar sind zum Beispiel ‚Gecko-Stiefel‘, die auf nassen Oberflächen nicht rutschen, oder ‚Gecko-Handschuhe‘, mit denen man Werkzeuge in nassen Umgebungen halten kann. Fahrzeuge könnten Wände hochfahren oder Inspektionsroboter an Stromleitungen entlang.“

Originalpublikationen:

M.H. Rasmussen, K.R. Holler, J.E. Baio, C. Jaye, D.A. Fischer, S.N. Gorb, T. Weidner. Evidence that gecko setae are coated with an ordered nanometer-thin lipid film. Biology Letters. Published online July 6, 2022; DOI: 10.1098/rsbl.2022.0093

K.R. Holler, M.A. Rasmussen, J.E. Baio, C. Jaye, D.A. Fischer, S.N. Gorb, T.Weidner: Structure of Keratins in Adhesive Gecko Setae Determined by Near-Edge X-ray Absorption Fine Structure Spectromicroscopy. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 9, 2193–2196 Publication Date: March 1, 2022; DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c00004

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