Je leest:

Kleefkracht met koolstof nanobuisjes in imitatie gekkovoet

Kleefkracht met koolstof nanobuisjes in imitatie gekkovoet

Auteur: | 18 augustus 2005

Onderzoekers van de Universiteit van Akron (Ohio, Amerika) hebben uit meerwandige nanobuisjes synthetische haartjes gemaakt met een kleefkracht die tot tweehonderd maal groter is dan die van de voethaartjes van de gekko. Hun research leidt mogelijk tot verbeterde kleefstoffen voor toepassingen in microelectronica en ruimtevaart, zo rapporteerden ze onlangs hoopvol in het vakblad Chemical Communications.

In het door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde onderzoek ontwikkelden de Amerikaanse wetenschappers synthetische haartjes die een imitatie zijn van de gekko-anatomie die voor de verbazingwekkende kleefkracht van het beestje zorgt. De vijftenige voeten van de kleine hagedis zijn bedekt met honderdduizenden microscopische elastische haartjes, de setae. Het uiteinde van elk van deze haartjes is weer opgesplitst in vele honderden spatulas.

Het zijn deze miljoenen nanoscopische vezeltjes die de voeten op hun plaats houden, ook al hangt de gekko ondersteboven aan het plafond. Door het enorme aantal vezels zijn de aantrekkende VanderWaalskrachten tussen de moleculen van de vezels en die van het oppervlak zo groot dat het beestje de zwaartekracht kan trotseren.

Opname met de elektronenmicroscoop van gekko voethaartjes (setae). Aan het eind van ieder haartje zijn de spatulae te zien. Foto: N Rizzo, Preparaat: D Hallahan

‘We weten dat insecten als de kevers en reptielen zoals de gekko’s dit hoogst effectieve kleefsysteem hebben ontwikkeld om te kunnen overleven’, zegt polymeeronderzoeker dr. Ali Dhinojwala. ‘Het biologische systeem in deze beestjes heeft niet alleen het mechanisme geperfectioneerd om aan steile vertikale oppervlakken vast te blijven zitten, maar ook om er naar believen los van te komen’. Dat laatste doet de gekko door zijn tenen één voor één onder een hoek van dertig graden op te tillen. Op die wijze kan hij de VanderWaalskrachten minimaliseren en overwinnen.

Koolstof nanobuisjes

Polymeertechnologen draaien hun hand niet om voor het ontwikkelen van supersterke lijm, en uit de bekende zelfklevende gele notitiepapiertjes blijkt dat ook minder krachtige, loslatende kleefstoffen tot de mogelijkheden behoren. Maar het realiseren van materialen die de eigenschappen van sterke hechting én het gemakkelijk loslaten in zich verenigen, is verre van eenvoudig.

In hun speurtocht naar zo’n wondermateriaal ontwikkelden de Amerikaanse onderzoekers structuren die sterk lijken op de spatulas van de gekko’s. Ze bouwden de functionele elementen van de synthetische plakvoeten na door meerwandige koolstof nanobuisjes in een kunststof in te bedden. Vorige maand beschreven ze in Chemical Communications de ingenieuze procedure.

Eerst ‘kweken’ ze in een oven de nanobuisjes op een substraat van kwarts of silicium. Door een uitgekiende voorbehandeling van deze ondergrond is de dichtheid van de buisjes in te stellen en kan zelfs een bepaald patroon worden aangebracht. De gevormde koolstof nanovezels hebben een doorsnee van 10 tot 20 nanometer (en een lengte van ongeveer 65 micrometer (ongeveer de dikte van een menselijke haar).

Opnamen met de elektronenmicroscoop van de koolstof nanobuisjes. Links zoals ze uit de oven komen, gevormd op een ondergrond van kwarts of silicium. Rechts zijn ze te zien na inbedding in een kunststof (PMMA). Beeld overgenomen uit het artikel in Chemical Communications

De volgende stap is om de nanovezels naar het kunststof over te brengen. Daarvoor wordt het substraat met daarop de nanovezels in een bekerglas gelegd dat de vloeibare bouwstenen voor een polymeer bevat. Bij het uitvoeren van de polymerisatiereactie raken de vezels volledig in een polymeerlaag ingebed, die vervolgens van het substraat is af te pellen. De vezels breken daarbij van het silicium of kwarts af.

De laatste stap is om een klein beetje kunststof te verwijderen zodat de vezels gedeeltelijk (voor ca. 25 micrometer) vrijkomen. En voilá: het kleefmateriaal is klaar. Uit metingen met een Scanning Force Microscope (SFM) blijkt dat de kleefkracht van de de gezamenlijke nanotubes in het kunststof vele malen groter is dan die van de voetharen van de gekko; de onderzoekers schatten zelfs een verbetering met een factor tweehonderd te kunnen realiseren.

Hogere kleefkrachten

De Amerikanen hebben niet de primeur van synthetisch gekko-achtig kleefmateriaal. Sinds hun landgenoot Kellar Autumn in 2000 en 2002 de anatomische eigenaardigheden van de gekkovoet publiceerde wordt wereldwijd het nodige onderzoek gedaan naar nabootsende synthetische materialen. In 2003 publiceerden onderzoekers van de Universiteit van Manchester al een rudimentair ‘gekko-plakband’. De nu gepubliceerde materialen en productiemethode leidt tot veel hogere kleefkrachten en heeft het voordeel dat de verdeling, het voorkomen en eigenschappen van de synthetische kleefhaartjes relatief gemakkelijk zijn in te stellen.

Onderzoeker Dhinojwala zegt het onderzoek te willen voorzetten met nanobuis-kleefstructuren op veel grotere oppervlakken. Hij hoopt dat het uiteindelijk zal leiden tot verbeterde, herbruikbare droge kleefstoffen die belangrijke toepassingen zullen hebben op gebieden als de micro-elektronica, de informatietechnologie en de robotica.

Onderzijde van een voet van een gekko. De kleefhaartjes zijn netjes in een soort lamellen onder de tenen gearrangeerd.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 augustus 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.