Die Nanotechnologie ist älter als der Mensch

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Die Nanotechnologie ist älter als der Mensch

Autorin Patricia Lefèvre

Die frühe Forschung der Nanotechnologie begann simple mit einer Klette. Wir alle kennen dem Begriff „Nano“ aus Textilien, Farbe (Lotuseffekt) und Klettverschluss. Im 21. Jahrhundert ist diese Technologie nicht mehr weg zu denken. Tablets, Smartphones, Computern, Flugzeug- und Autobau. Fast die komplette Wissenschaft und Forschung rund um Raumfahrt ist ohne Nanomaterialien gar nicht möglich.

Nun aber von der ISS zurück auf die Fluren und Wiesen unserer bekannten Umgebung.

Die Klette nutzt eine raffinierte Art der Verbreitung: Ihre Früchte verfügen über winzige, elastische Häkchen, die sich im Fell von umher streifenden Tieren verankern. So gelangen die Früchte an weit entfernte Orte. Dies fiel dem belgischen Ingenieur George de Mestral, der oft lange Spaziergänge mit seinem Hund unternahm, auf. De Mestral betrachtete die kleinen Kügelchen unter dem Mikroskop und entdeckte das Prinzip der reversiblen Verbindung zweier Materialien – 1951 meldete er seinen künstlichen Klettverschluss zum Patent an. Der Klettverschluss ist also eine Erfindung der Natur.

Der textile Klettverschluss bestand zunächst aus schlaufenförmigen Ösen und Widerhaken auf beiden Verbindungsteilen. Heute befinden sich die Haken auf der einen Seite und die Ösen auf der anderen Seite des Verschlusses. Allerdings haben diese Klettverschlüsse den Nachteil, dass sie mit der Zeit verschleißen.

Nano-Klettverschluss bei Libellen Libellen bedienen sich ebenfalls einer Art Klettverschluss, um ihren verhältnismäßig großen Kopf aufrecht zu halten. Die Verbindung zwischen Kopf und Brustsegment verfügt über feine Härchen. Aus Richtung Kopf und Brust schieben sich diese Aretierungshärchen ineinander und fixieren so den schweren Kopf der Libelle. Die Verbindung hält extrem fest, da die Enden der Härchen verdickt sind und so besonders gut aneinander haften. Natürlich ist die Libelle in der Lage, diese Verbindung immer wieder zu lösen, sonst könnte sie ihren Kopf nicht bewegen.

Der Haftmechanismus bei Insekten und Geckos Fliegen und andere Tiere, die an Wänden und Decken haften und auf ihnen entlang laufen können, besitzen – entgegen früherer Annahmen – keineswegs Saugnäpfe an den Füßen. Unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennt man viele kleine Haare. Die Anzahl der Härchen nimmt mit der Größe, also mit dem Körpergewicht, des Tieres potentiell zu. Gleichzeitig nehmen die Durchmesser der Härchen ab. So besitzt beispielsweise ein etwa 40 Zentimeter großer Gecko Billionen von Hafthärchen mit Durchmessern im Bereich von wenigen Nanometern. Zum Vergleich: Ein Nanometer entspricht in etwa einem Fünfzig Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Der Haftmechanismus beruht auf den Van-der-Waals-Wechselwirkungskräften. Bei ihnen handelt es sich – im Vergleich zu den Atom- und Ionenbindungskräften – um recht schwache zwischenmolekulare Kräfte. Die Bindungskräfte resultieren aus kurzzeitigen Dipolen. Das sind unsymmetrische Ladungsverteilungen an einzelnen Teilchen. Treffen diese Dipole aufeinander, so zieht die positive Hälfte eine negative Hälfte eines anderen Dipols an und umgekehrt. Einzeln betrachtet sind diese Kräfte gering, doch in einer großen Vielzahl erzeugen sie eine enorme Haftkraft. Diese ist so groß, dass die Tiere ein Vielfaches ihres eigenen Körpergewichtes halten können. ☆☆☆☆ Ein kleiner Trick erlaubt es den an Wänden und Decken haftenden Tiere, die Haftverbindung zum Untergrund sehr schnell zu lösen: Der Gecko hebt seinen Fuß so geschickt ab, dass sich die einzelnen Härchen nacheinander von der Oberfläche lösen – ähnlich der Technik, die man anwendet, um einen Klebestreifen wieder abzulösen.

Viele Insekten, wie zum Beispiel Holzbienen, paaren sich im Flug. Um optimalen Halt beim Partner zu finden, setzten sie ebenfalls auf Hafthärchen: Das Bienen-Männchen verankert sich mit feinen Haarschlaufen auf seinen Hinterbeinen in den Borsten auf dem Rücken seiner Partnerin. An dem mittleren Beinpaar besitzen männliche Bienen ebenfalls Hafthärchen, die dem Haftmechanismus des Geckos entsprechen.

Damit beispielsweise ein Menschen mit einem Körpergewicht von etwa 75 Kilogramm eine Wand mit der Nano-Klettverschluss-Technik erklimmen kann, müssen die einzelnen Hafthärchen an Händen und Füßen 10 bis 20 Nanometer im Durchmesser betragen. Technisch erreicht man bislang jedoch „nur“ rund 200 Nanometer. Mögliche Anwendungsgebiete für Nano-Klettverschlüssen stellen sowohl Kletterroboter als auch Befestigungs- und Verbindungstechniken dar.