Forschung

Das Gedächtnis der Faltungen

26.07.2021 - Oberflächenkontakte fester Materialien haben einen Kapillarcharakter.

Das Prinzip der Falten­bildung ist Teil unseres Alltags: Beim Schließen der Hand oder Beugen des Arms entsteht durch Selbstkontakt der Haut eine Falte die sich bei der Umkehrung der Bewegung wieder auflöst. Auf mikro­skopischer Ebene ist bekannt, dass eine solche Faltung kleine Narben hinterlässt, die als Initiations­punkte für nachfolgende Faltungen dienen. Stefan Karpitschka, Leiter der Studie zur Unter­suchung dieses Phänomens, erklärt: „Bisher ging man davon aus, dass diese Narben durch die Verrin­gerung der Oberflächen­spannung entstehen, was zu Adhäsion führt, wenn eine weiche Oberfläche sich selbst berührt. Wir zeigen, dass die Oberflächen­spannung auch für die Mikromorphologie der Falten eine wichtige Rolle spielt und dass ihre Verringerung nicht ausreicht, um die Entstehung der Narben zu erklären.“

Um das Verhalten fester Materialien beim Falten zu beobachten, verwendeten die Wissen­schaftler ein Polymergel, das sich in kontrollierter Weise komprimieren lässt. Dabei ermöglichte es ihnen eine fluores­zierende Schicht an der Oberfläche dieses Gels, die Faltenbildung auf mikro­skopischer Ebene zu verfolgen. Ohne Oberflächen­spannung faltete sich das Material in einem V-förmigen Profil. Kommt jedoch die Oberflächen­spannung ins Spiel, verändert das Gleichgewicht der Kräfte auf der Oberfläche die Morphologie: Am oberen Rand des selbst­kontaktierenden Materials entsteht eine zweite Faltung, wodurch sich insgesamt ein T-förmiges Profil ergibt. Außerdem krümmt sich die freie Oberfläche stark, was die Kapillar­kräfte am Knick definiert.

„Es wurde schon früher beobachtet, dass Kapillaritäts­effekte nicht nur in Flüssig­keiten zu beobachten sind, sondern auch in weichen Festkörpern auftreten“, sagt Karpitschka. „Hier zeigen wir, dass auch Oberflächen­kontakte fester Materialien einen Kapillar­charakter aufweisen. Dies ist die physikalische Erklärung sowohl für die Oberflächen­krümmung als auch für das T-förmige Profil der Falte.“

Insgesamt zeigen diese Beobach­tungen, dass entstehende Narben in Materialien auf der Mikroskala durch Pinning der Kontaktlinie beim Entfalten des Materials verursacht werden. Diese Narben deuten also nicht auf eine Beschädigung des Materials hin, sondern stellen die Überbleibsel der Selbst­adhäsion nach einer Faltung dar. Dies führt zu einer Asymmetrie beim Falten und Entfalten von Materialien und definiert die Stellen, an denen spätere Falten entstehen. „Unsere Beobachtungen zur Falten­morphologie eröffnen einen neuen Weg, die Mechanik an Festkörper-Grenzflächen zu quanti­fizieren“, sagt Karpitschka. „Ein solches Faltungs­gedächtnis könnte eine wesentliche Rolle bei der Bildung subzellulärer Strukturen in der Biologie spielen, ebenso wie bei der Herstellung weicher Robotik oder intelli­genter Textilien auf der Mikroskala.“

MPIDS / JOL

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