Nass, aber rutschfest (3): Bioinspirierte Haftstrukturen für feuchte und geflutete Oberflächen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Jon P. Barnes; Professor Dr. Hans-Jürgen Butt; Professorin Dr. Aránzazu del Campo Bécares; Professor Dr. Andreas Fery
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 128737578

Fluss- und Laubfrösche können sich in ihrem feuchten und gefluteten Lebensraum fortbewegen und klettern ohne herunter zu fallen. Das Geheimnis ihrer herausragenden Hafteigenschaften ist die komplexe hierarchische Strukturierung ihrer Haftpads, die Kanäle und Säulen unterschiedlicher Größenordnungen, einen variierenden Gewebeaufbau und die Sekretion von Flüssigkeit umfasst.Das Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien der Oberflächenstrukturierung bereitet den Weg hin zu fortschrittliche Adhäsionstrategien für künstliche reversible Haftsysteme. Unser Kooperationsprojekt „Wet but not slippery“ bündelt die Kompetenzen der Forschungsgebiete Zoologie, Experimentalphysik und Polymerchemie mit dem Ziel den Grundstein für ein fortschrittliches Design solcher Systeme zu legen.Während der ersten Förderungsperiode dieses Antrags, haben wir beachtliche Fortschritte in dem Verständnis des biologischen Vorbilds erzielt. Dies wurde nicht zuletzt durch unsere Fortschritte in der Materialwissenschaft erzielt, die die Instrumente und die theoretischen Grundlagen zur Vervollständigung biologischer Studien liefern. In der zweiten Förderungsperiode haben wir hierarchische Systeme mit neuen Designfaktoren ergänzt, die zusätzliche Funktionalitäten, wie bedarfsgesteuerter Adhäsion oder Adhäsion auf rauen Oberflächen und eine dynamische Modifikation während eines Haftungs-/Ablöseprozesses ermöglichen. Der Focus der dritten Förderungsperiode unseres Projektes wird auf drei Schwerpunkten liegen:1. Anisotrope Morphologie der Adhäsionselemente des biologischen Vorbilds und ihre Rolle in Bezug auf mechanische Stabilität, richtungsabhängige Adhäsions- /Reibungseigenschaften und Ablöseverhalten. Wir werden die Morphologie und die Anordnung (Dichte, Orientierung, Kippwinkel) der Nanofibrillen in der adhäsiven Mikrostruktur des biologischen Vorbilds unter statischen und dynamischen (d.h. unter Scherung) Bedingungen untersuchen. Wir werden künstliche Replikas herstellen, deren Mikroelemente angeordnete Nanofasern enthalten. Adhäsions-/Reibungsmessungen und mechanische Untersuchungen werden die Rolle der angeordneten Keratinfasern in Bezug auf richtungsabhängige und reversible Anhaftung/Haftung klären.2. Die Rolle der unter der Oberfläche liegenden Blutgefäße, die möglicherweise eine Oberflächendeformierung/-kontraktion hervorrufen und das Anhaften und Ablösen steuern können. Untersuchungen an lebenden Tieren und künstlichen Replikas mit eingebetteten Mikrokanälen werden durchgeführt.3. Kombinieren von bildgebenden Systemen, Adhäsions-/Reibungsmessungen und neuen mechanosensitiven Oberflächen mit theoretischen Modellen. Wir werden detailliertere Informationen über die auftretenden Kräfte und Spannungsverteilungen von nassen weichen Kontakten auf der Mikro-, Meso- und Nanoskala während eines Ablösensprozesses erhalten.Diese Ergebnisse, zusammengenommen mit den Erkenntnissen der vorherigen Förderungsperioden, werden zu einem fundamentaleren Verständnis des Zusammenspiels von Materialdesignparametern und externen Kräften und deren Einfluss auf die Adhäsion unter Feuchtigkeit beitragen und die Leistungsfähigkeit optimieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Internationaler Bezug: Großbritannien