Kleben ohne Klebstoff

Eduard Arzt vom Max-Planck-Institut für Metallforschung erhält Wissenschaftspreis des Stifterverbandes

30.05.2005

Für seine Arbeiten auf dem Gebiet der klebstofffreien Verbindung von Werkstoffen wurde Prof. Eduard Arzt, Direktor am Max-Planck-Institut für Metallforschung, der Wissenschaftspreis des Stifterverbandes für die Deutsche Wissenschaft verliehen. Die mit 50.000 Euro dotierte Auszeichnung honoriert die außergewöhnlichen Erfolge des Stuttgarter Wissenschaftlers und seines interdisziplinären Teams bei der Umsetzung von Ergebnissen der Grundlagenforschung in technische Anwendungen. Die Forscher haben herausgefunden, warum Fliegen, Spinnen und sogar Geckos selbst auf Glas sicheren Halt finden und daraus technisch einsetzbare Haftsysteme entwickelt.

Verbindungstechniken wie Schweißen oder Kleben sind kostenintensive Prozesse, und einmal auf diese Weise verbundene Bauteile lassen sich bei Reparaturen oder einem späteren Recycling nicht mehr ohne Materialverlust voneinander lösen. Herkömmliche Klettverschlüsse benötigen einen Haftpartner und verfilzen mit der Zeit. Die Haftsysteme von Eduard Arzt dagegen erlauben reversible, feste Verbindungen von Werkstoffen ohne Schweißen oder Kleben.

Der Max-Planck-Wissenschaftler untersucht mit seiner Arbeitsgruppe Haftungsphänomene biologischer Systeme, bildet sie in mathematischen Modellen ab und entwickelt daraus technisch einsetzbare Lösungen. Ausgangspunkt sind die Forschungsarbeiten des Biologen Dr. Stanislav Gorb über die Fähigkeit von Fliegen und Eidechsen, kopfüber selbst auf glatten Flächen laufen zu können. Die Laufflächen dieser Tiere sind mit feinsten Härchen überzogen, die extrem hohe Adhäsionskräfte besitzen. Aus der Analyse der Zusammenhänge zwischen Struktur und Haftverhalten auf glatten und rauen Flächen entwickelten die Materialwissenschaftler um Eduard Arzt allgemeine Gesetze für das Verhalten solcher Verbindungssysteme.

In Versuchen mit den unterschiedlichsten biologischen Vorbildern überprüften die Forscher ihre theoretischen Ergebnisse und entwickeln nun Verfahren, mit denen sich technische Oberflächen mit den entsprechenden Eigenschaften erzeugen lassen. Die Wissenschaftler modifizieren die Kontaktflächen so, dass ein Wald kleiner Säulen entsteht. Abhängig von strukturellen Eigenschaften dieser modifizierten Oberflächen - wie Dicke der Säulen, Abstände, Elastizität und Form - lassen sich die Hafteigenschaften exakt einstellen. Ähnlich wie beim natürlichen Vorbild können sogar keulenförmige Säulen hergestellt werden, die wie Streichhölzer einen leicht verdickten Kopf besitzen.

Das patentierte Verfahren ist für die Industrie hoch interessant, da der Verbindung von Werkstoffen in der modernen Technologie eine immer stärkere Bedeutung zukommt. Wie beim Vorbild Libelle, die ihren Kopf mit einem speziellen "Klettverschluss" stabilisiert, lassen sich mit den neuen Haftsystemen Verbindungen tausendfach fixieren und wieder lösen. Im Gegensatz zu konventionellen Klebebändern verschmutzen die neuen Haftstrukturen nicht so leicht. Und im Vergleich zu herkömmlichen Klettverschlüssen benötigen sie kein speziell strukturiertes Gegenüber mehr. Schließlich können die Stuttgarter Max-Planck-Forscher die Haftkräfte in einem breiten Bereich genau auf die technischen Anforderungen einstellen, was ihrer Technik vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Alltag erschließt.

Originalveröffentlichung: R. Spolenak, S. Gorb, E. Arzt; "Adhesion design maps for bio-inspired attachment systems", Acta Biomaterialica 2005, 1, 5-13.

E. Arzt, S. Gorb, R. Spolenak; "From micro to nano contacts in biological attachment devices"; PNAS 2003, 100 (19), 10603-10606.

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