Innovationen aus dem Nanokosmos

  • 03. June 2016

Von der Natur zu lernen ist alles andere als eine neue Idee. Aber welche Ansätze setzen sich in der Technik durch?

Vergleichsweise neu ist die Erkenntnis, dass die Natur nicht einfach nachgeahmt werden kann, dass sie also keine einfachen Kopiervorlagen liefert. Vielmehr steht am Anfang einer jeden gelungen Übertragung die Ermittlung des Funktionsprinzips. Dabei sind die im Evolutionsprozess über Jahrmillionen entwickelten Lösungen nicht selten ebenso beeindruckend wie komplex, und oftmals steckt der Teufel im Detail.

Entsprechend war den ersten Imitationsversuchen auch bescheidener Erfolg vergönnt. Bereits die hellenistische Mythologie beschreibt das „Fliegen wie die Vögel“ als probate Problemlösung für die Flucht von Ikarus und Daedalus aus kretischer Gefangenschaft – mit bekanntem Ausgang. Auch Leonardo da Vincis Versuche, nach biologischem Vorbild den alten Menschheitstraum vom Fliegen zu verwirklichen, waren zunächst wenig überzeugend.

Erst einige Jahrhunderte später gelang es Otto Lilienthal, das Auftriebsprinzip zu entschlüsseln und in seinen ersten naturinspirierten Gleitflieger erfolgreich zu übertragen. Sein historischer Erstflug jährt sich in diesem Jahr zum 125. Mal. Von den Gebrüdern Wright zu motorgetriebenen Flugmaschinen weiterentwickelt, ist diese Bionik-Innovation heute nicht mehr aus unserem Alltagsleben wegzudenken. Das Flugzeug ist aktuell sicherlich das erfolgreichste, biologisch inspirierte Produkt, aber bei Weitem nicht mehr das einzige.

Zwischenzeitlich liefern uns kontinuierlich verbesserte Analyseverfahren zunehmend detaillierte Einsichten und vertieftes Verständnis in die grundlegenden Konstruktionsprinzipien von biologischen Systemen und Strukturen. Heute reichen die Befunde bis in den Nanokosmos, bis in die Ebene der Moleküle hinein, die Basisbausteine der belebten Natur. Und hier scheint das Innovationspotenzial nahezu unerschöpflich.

So offeriert der bekannte Lotuseffekt antiadäsive Oberflächen, die sich durch einfaches Abspülen mit Wasser von Partikeln und Verunreinigungen jeglicher Art reinigen lassen, völlig ohne Einsatz chemischer Reinigungsstoffe. Der Haihaut-Effekt tut es ihm gleich und offeriert bewuchsfreie Unterwasseroberflächen, völlig ohne die sonst hierzu nötigen Biozide.

Nicht selten ist aber auch das genaue Gegenteil erwünscht, etwa die kraftschlüssige Verbindung zweier Objekte. Und in der Tat liefert die belebte Natur eine Vielzahl von Adhäsionsmechanismen unterschiedlicher Ausprägung und Funktionsweise. Neben den vielfältigen Klebstoffen nach Vorbild von Seepocken, Schnecken, Fliegen und Fröschen sind insbesondere die klebstofffreien Systeme von Interesse. Sie offerieren einen reversiblen Einsatz für vielfachen Gebrauch ohne potenzielle Rückstände.

Bis dato wohl am besten untersucht ist das „Gecko-Prinzip“, das Christian Greiner und Hendrik Hölscher in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit vorstellen. Hier liegt der Kniff im Design des Adhäsionsmechanismus der Tiere: sehr fein ausgebildete, fadenartige Strukturen, an deren Spitze sich kleine Verbreiterungen zu Kontaktflächen aufweiten. Sie besetzen die Fußunterseite in nahezu unüberschaubarer Vielzahl. Ihre Flexibilität ermöglicht die Kontaktaufnahme mit dem Substrat ungeachtet dessen Rauigkeit oder Beschaffenheit. Die Abstände sind dabei so gering, dass Van-der-Waals-Kräfte Wirkung zeigen.

Ein weiterer Baustein des Funktionsprinzips ist die hohe Anzahl dieser Strukturen. Diese geht pro Geckofuß in die Hunderttausende und stellt damit sicher, dass immer eine hinreichende Anzahl davon in Kontakt zum Substrat kommt. Das Prinzip ist bestechend und scheint zwischenzeitlich auch in den Wirkkomponenten hinreichend verstanden zu sein. Allerdings, ungeachtet der Aussagen diverser Marketingabteilungen: Das Produzieren von „Haft-Pads nach Gecko-Vorbild“ stellt uns noch vor ungelöste Herausforderungen.

Ein Blick in die Natur liefert auch hier einen vermeintlicheinfach zu realisierenden Vorschlag: wachsen lassen!

Antonia Kesel, Bremen

Dieser Essay (freier Download) kommentiert den Artikel "Haften wie ein Gecko" von Christian Greiner und Hendrik Hölscher (freier Download nur mit Online-Abo). Beide Beiträge sind in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen.

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