Kleben auf Knopfdruck
Gallium könnte zu einem neuen Haftmittel werden, bei dem sich die Klebewirkung einfach an- und abschalten lässt
Mancher Klebstoff könnte bald metallisch glänzen und sich außerdem besonders gut wieder ablösen lassen. Denn Forscher am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme schlagen Gallium als einen derartigen, reversiblen Klebstoff vor. Über leichte Temperaturänderungen regeln sie, ob eine Schicht des Metalls klebt – oder nicht. Dabei nutzen sie den Umstand, dass das chemische Element bereits bei rund 30 Grad Celsius vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Solch ein reversibler Klebstoff könnte überall dort zum Einsatz kommen, wo Gegenstände nur vorübergehend haften sollen. Etwa bei industriellen Hebe- und Transportprozessen oder beim Bewegen empfindlicher biologischer Proben wie Geweben oder Organen. Auch an den Füßen sogenannter Kletterroboter könnte ein temporär wirkendes Haftmittel gute Dienste leisten.
Festverbunden: Stuttgarter Max-Planck-Wissenschaftler setzen Gallium als Klebstoff ein, um mit einem beweglichen Stempel eine Glaskugel zu greifen. Das Metall befindet sich an der Unterseite des Stempels. Sobald dieser die Glaskugel berührt, erhitzen die Forscher das Galliumund kühlen es anschließend wieder ab, damit es sich mit dem Glas verbindet. So können sie die Kugel von der Unterlage ziehen.
© MPI f. Intelligente Systeme
Eigentlich ist das Prinzip ganz einfach. Oberhalb von 30 Grad Celsius ist das Metall Gallium flüssig, darunter fest. Bringt man also einen Tropfen flüssiges Gallium zwischen zwei Gegenstände und kühlt danach unter 30 Grad ab, erstarrt die Galliumschicht – und fügt die Gegenstände fest zusammen. Will man sie später voneinander trennen, erhöht man die Temperatur einfach und kann sie mit wenig mechanischer Kraft wieder voneinander lösen. Gallium funktioniert als Klebstoff also ganz ähnlich wie ein Heißkleber, den auch mancher Heimwerker benutzt. Nur dass im Fall des Galliums sehr viel kleinere Temperaturunterschiede ausreichen – und sich der Kleber sehr viel sauberer wieder von der Oberfläche löst.
Wissenschaftler um Metin Sitti, Direktor am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, benetzten für ihre Versuche die Spitze eines runden Silikon-Stabs mit flüssigem Gallium. Dann brachten sie die Stabspitze mit unterschiedlichen Materialien wie Glas, Kunststoff oder auch Gold in Kontakt. Nachdem sie die Stabspitze jeweils auf 23 Grad abgekühlt hatten, sorgte das erstarrte Gallium in allen Fällen für eine feste Verbindung zwischen dem Silikon und dem jeweiligen Untergrund.
Tests an besonders rauen oder feuchten Oberflächen
Die Forscher maßen zudem direkt die wirksamen Bindekräfte – und zwar sowohl im festen als auch im flüssigen Zustand des Galliums. „Das Verhältnis dieser beiden Größen sagt uns etwas darüber, wie reversibel der Klebeprozess wirklich ist“, erklärt Metin Sitti. Je größer der Unterschied der Bindungskräfte im festen und flüssigen Zustand wirklich ist, desto leichter lässt sich die Haftwirkung wieder aufheben.
Ganz bewusst testeten die Forscher ihren Kleber auch an besonders rauen oder feuchten Oberflächen. „Das sind Bedingungen, bei denen bisherige Ansätze für reversible Klebstoffe große Schwächen haben“, so Sitti. Denn: Haftmittel, die auch bei rauen oder nassen Flächen für hohe Bindekraft sorgen, waren bisher wenig reversibel. Anders der neue Gallium-Ansatz. Und auch bei feuchten Bedingungen überzeugte dieser die Stuttgarter Forscher, die ihn dafür sogar unter Wasser testeten. Zwar verringerten sich Haftwirkung und Reversibilität dann etwas gegenüber trockenen Bedingungen, waren aber durchaus noch gut.
Anwendung überall dort, wo schonendes und reversibles Haften gefragt ist
Die Leistungsfähigkeit bei Feuchtigkeit mache den Kleber auch für biologische Proben interessant, hebt Metin Sitti hervor. So kann sich der Ingenieur-Wissenschaftler durchaus vorstellen, dass Gallium eines Tages dazu dienen könnte, einzelne Zellen, Gewebeproben oder auch ganze Organe zu bewegen – etwa im Labor oder auch im Krankenhaus.
Ein weiteres denkbares Anwendungsfeld sei die industrielle Fertigung. Insbesondere dort, wo es um fragile Teile geht. Das können hauchdünne Membranen etwa aus Graphen sein oder elektronische Bauteile wie Chips. Mit kleinen galliumbestückten Greifern ließen sich solche Teile dann aufnehmen und anschließend präzise an einem gewünschten Ort, etwa auf einer Leiterplatte, absetzen. Pick-and-place heißen solche Bestückungstechniken im Fachjargon. Die gibt es zwar schon heute, doch basieren sie in der Regel auf der Anwendung von Unterdruck.
Aus Sicht von Metin Sitti hätte der temperaturgesteuerte Gallium-Kleber zwei Vorteile. „Einen Gegenstand mit einer metallischen Flüssigkeit wie Gallium zu benetzen, das durch leichtes Abkühlen bindet, ist viel schonender für zerbrechliche Materialien, als sie durch Unterdruck anzusaugen“, so der Max-Planck-Forscher. Außerdem sei die neue Methode energieeffizienter: Hafte ein Gegenstand erst einmal an der Galliumschicht, sei keine weitere Energiezufuhr nötig. Erst um den Klebstoff wieder zu lösen, müsse das Metall kurzzeitig auf 30 Grad erhitzt werden. Anders beim Vakuum: Dort müssen permanent Pumpen laufen, um die Haftwirkung aufrechtzuerhalten.
Peltier-Element regelt Temperatur
Für ihr kurzzeitiges Heizen und Kühlen brachten die Stuttgarter Forscher ihren Versuchsaufbau mit einem sogenannten Peltier-Element in Kontakt. Dieses ist in der Lage, bei Stromfluss entweder Wärme abzugeben oder aufzunehmen. Für spätere praktische Anwendungen können sich die Wissenschaftler aber auch vorstellen, die Klebeverbindung zum Beispiel mit Infrarot-Strahlung zu lösen.
Eine weitere Anwendung des Klebers sieht Metin Sitti in der Robotik. Sogenannte Kletterroboter etwa, die eines Tages vielleicht Windkraftanlagen emporkrabbeln, um diese zu warten, könnten von reversiblen Klebstoffen profitieren. Um beim Klettern einen Fuß an der Wand zu fixieren, würde der Kleber einfach aktiviert. Für den nächsten Schritt nach oben genügt es dann, die Haftschicht zwischen Fuß und Wand über ein integriertes Heizelement kurz aufzuheizen.
Ein Kleber, der sich nicht verbraucht
Für die Praxis besonders wichtig: Das Material sollte möglichst viele Klebezyklen durchlaufen können, ohne dass es ausgetauscht werden muss. Das ist bei Gallium der Fall. Denn das flüssige Metall lässt sich vollständig vom Substrat trennen, so dass es weder zu unerwünschten Rückständen auf den Oberflächen noch zu Substanzverlust beim Kleber kommt. Das ist durchaus nicht selbstverständlich. „Gut klebende Substanzen lassen sich in aller Regel schlecht wieder abtrennen“, so Sitti. Im Fall des Galliums helfe, dass das Material an Luft eine hauchdünne Oxid-Schicht bilde. Diese Hülle aus Galliumoxid sorgt sowohl für die gute Haftung als auch dafür, dass es sich ohne jegliche Materialrückstände wieder ablösen lässt.
Und es gibt noch ein weiteres Plus der Technik: „Wir können sie im Nanometerbereich ebenso einsetzen wie in der Mikroelektronik oder auch bei größeren Teilen“, so Sitti. Theoretisch lasse sich sogar ein ausgewachsener Mensch damit anheben, wenn man nur für genug Kontaktfläche sorge. Wirklich ökonomisch und praktikabel sei die Methode aber vor allem bei kleineren Gegenständen.
Metin Sitti kann sich praktische Anwendungen durchaus schon in naher Zukunft vorstellen. Einige will das Team jetzt ganz konkret untersuchen. Zudem arbeitet die Gruppe parallel daran, die Technik weiter zu optimieren. Bisher etwa befand sich das Gallium für alle Versuche an einem Silikonstab mit knapp zwei Millimeter Durchmesser. „Hier wollen wir weitere Geometrien und Designs testen und schauen, ob wir die Bindekraft damit noch erhöhen können“, sagt Sitti. Darüber hinaus wollen die Forscher auch noch Legierungen des Galliums mit anderen Metallen wie etwa Indium untersuchen. Wichtig sei aber auch dann, dass der Schmelzpunkt in der Nähe der normalen Umgebungstemperatur liege.
Originalveröffentlichung
Zhou Ye, Guo Zhan Lum, Sukho Song, Steven Rich und Metin Sitti; "Phase Change of Gallium Enables Highly Reversible and Switchable Adhesion"; Advanced Materials; May 2016
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