Konfokales Laserscanning-Mikroskop mit AFM-Modul
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein wesentliches Ziel ist die Analyse von Bruchoberflächen bruchzäher pflanzlicher Strukturen, wie z.B. der Samenschalen der Macadamia-Nuss und der inneren Furchtwand der der Kokosnuss. Bei allen untersuchten Beispielen entstehen bei statischer und dynamischer Brucherzeugung hochgradig strukturierte Bruchflächen, die in den verschiedenen hierarchischen Ebenen verlaufen. Die strukturelle Ursache für die große Bruchzähigkeit, das hohe Energiedissipationsvermögen und das gutmütiges Bruchverhalten ist der mikrolaminierte, faserverstärkte Aufbau der untersuchten Frucht- und Samenwände, die aus abwechselnden Schichten von stark verholzten Steinzellen sowie Leit- und Faserbündeln aufgebaut sind. Entstehende Risse biegen an den Schichtgrenzen ab, verzweigen sich und laufen sich tangential zur Schalenoberfläche „tot“, ohne zu einem Versagen der Struktur zu führen. Aktuell wird getestet ob und wie die Größe der reichstrukturierten Bruchoberfläche quantitativ mit der benötigten Bruchenergie korreliert werden kann. Neben einem besseren Verständnis dieser strukturell und ökologisch sehr wichtigen Strukturen liefern diese Untersuchungen die Grundlage für die Entwicklung hoch dämpfender, energiedissipierender Materialien und Strukturen für verschiedene Einsatzbereiche in Technik und Architektur. Ein zweiter Untersuchungsschwerpunkt ist die quantitative Analyse pflanzlicher Oberflächenstrukturen auf Mikrometer- und Submikrometerbasis, um Haftung und Antihaftung von Insekten auf diesen Oberflächen besser zu verstehen. Ziel ist hier zum einen ein quantitatives Verständnis von Haftung und Reibung weicher, den mikroskopischen Haftlappen (Arolien) von Insektenfüßen nachempfundenen Strukturen auf verschieden strukturierten pflanzlichen und technischen Oberflächen. Durch diese Untersuchungen kann ein besseres Verständnis der daran beteiligten Prozesse gewonnen werden und die Entwicklung von – technisch möglichst einfach realisierbaren – bio-inspirierten technischen Polymeroberflächen wird möglich, die von Insekten nicht begangen werden können und somit den Zugang von Schadinsekten zu schützenswerten Gütern vermindern können. Unsere Untersuchungen belegen, dass vor allem die durch Kutikularfalten hervorgerufene Mikrostrukturierung von Blättern im niedrigen Mikrometer- und im Submikrometerbereich für die Antihafteigenschaften verantwortlich ist. Zum anderen wird untersucht, ob durch geeignete gerichtete Strukturierung auf Mikro- und Nanometerebene hydrophobe Polymermaterialien in kapillaren Dimensionen benetzbar gemacht werden können. Versuche mit Replikaten der inneren Oberfläche der Gleitfallen von Kannenpflanzen belegen diesen Effekt, der aktuell auf verschiedene Polymermaterialien übertragen wird, die mittels bio-inspirierter 3-D-gedruckter Gießformen hergestellt werden. Die Genauigkeit der Übertragung wird mit Hilfe des Konfokalen Laserscanning Mikroskops mit AFM-Einheit quantifiziert. Außerdem wurde das Gerät für eine quantitative Charakterisierung verschiedener Haftsubstrate bei Untersuchungen von Saugverhalten und Anhaftkraft des Medizinischen Blutegels Hirundo verbana verwendet, der auf verschieden strukturierten Oberflächen haften und sich mit Hilfe seiner beiden Saugnäpfe fortbewegen kann. Eine generelle Tendenz zeigt jedoch, dass die Haftkraft mit zunehmender Rauigkeit der Substratoberfläche abnimmt und bei identischen Substraten unter Wasser stets besser ist als an der Luft. Das Gerät ermöglicht die quantitative Analyse der Feinstruktur von pflanzlichen Haftorganen und ihrer Interaktion mit den jeweiligen Haftsubstraten. So konnten beispielsweise die Haftpads von Kletterpflanzen im Detail charakterisiert und der Formschluss zum Substrat in hoher Auflösung dreidimensional dargestellt werden. Diese Untersuchungen liefern einen wichtigen Beitrag für das Verständnis der hervorragenden Anhaftungseigenschaften dieser Pflanzen. So können die Haftpads der Passionsblumen-Art (Passiflora discophora) auf sehr unterschiedlich strukturierten biologischen und technischen Oberflächen vergleichbar gut haften. Die Ursache hierfür liegt in dem durch die papillöse Struktur der Padunterseite und einer dünnen Kleberschicht auf allen untersuchten Oberflächenstrukturen hervorragenden Formschluss zwischen Haftpad und Anhaftoberfläche. Mechanische Tests belegen, dass es nie zum Versagen der Kontaktfläche kommt, sondern dass meist die Ranken und in selteneren Fällen das Haftpadgewebe intern versagen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Adhäsion und Reibung auf mikrostrukturierten Oberflächen: Inspiration von Insekt-Pflanze Interaktionen. / Adhesion and Friction on Textured Surfaces: Inspiration from Insect-Plant Interactions. Freiburger Zentrum für Interaktive Materialien und Bioinspirierte Technologien (FIT) Report 2015, 42- 45. FIT, Freiburg
C. Kumar, V. Le Houérou, T. Speck & H.F. Bohn
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(2016): Biomimetic Cellular Metals - Using Hierarchical Structuring for Energy Absorption. Bioinspiration and Biomimetics 11 [Special Issue “Bioinspired Hierarchical Materials”]
A. Bührig-Polaczek, C. Fleck, T. Speck, P. Schüler, S.F. Fischer, M. Caliaro & M. Thielen
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(2016): Functional morphology of suction discs and attachment performance of the Mediterranean medicinal leech (Hirudo verbana Carena). Journal of The Royal Society Interface, 13: 20160096
T. Kampowski, L. Eberhard, F. Gallenmüller, T. Speck & S. Poppinga
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Adhäsion und Reibung auf mikrostrukturierten Oberflächen: Inspiration von Insekt-Pflanze-Interaktionen - 2. / Adhesion and friction on textured surfaces: inspiration from insect-plant interactions-2. Freiburger Zentrum für Interaktive Materialien und Bioinspirierte Technologien (FIT) Report 2016, 27- 30. FIT, Freiburg
C. Kumar, T. Speck, H.F. Bohn & V. Le Houérou
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(2017): Accuracy quantification of different replica moulding techniques applied to plant leaf surfaces. International Master on Polymer Science 2: 1-6
A. Palacios, C. Kumar, V. Le Houérou, G. Bauer & T. Speck
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(2017): Adhesion characteristics of polymeric plants leaf replicas: Influence of microstructure’s size, morphology, and intricacy. Conference Proceedings of the World Tribology Congress 2017 Beijing, China, 3pp.
C. Kumar, D. Favier, T. Speck, H.F. Bohn & V. Le Houérou
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(2017): Investigation of adhesion on bioreplicated microstructure surfaces: effects of shape, size, and complexity of patterns. Abstract Volume of the Annual Meeting of the Society for Experimental Biology, 213, Gothenburg, Sweden
C. Kumar, T. Speck, H.F. Bohn & V. Le Houérou
