Kieler Forschende können intelligentes Haftmaterial mit Licht fernsteuern

Haftmechanismen aus der Natur, wie Geckos und andere Tiere sie nutzen, wenn sie kopfüber an der Decke laufen, haben viele Vorteile: So sind sie beständig haftstark und das ohne Klebstoff oder Rückstände. Wie diese Mechanismen künstlich nachgebaut werden können, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Einem interdisziplinären Forschungsteam aus der Materialwissenschaft, Chemie und Biologie ist es jetzt gelungen, ein bioinspiriertes Haftmaterial zu entwickeln, das über UV-Licht ferngesteuert werden kann. So ist es möglich, Objekte präzise im Mikrobereich zu transportieren.

Die Erkenntnisse könnten interessant sein für Anwendungen in der Robotik, Industrie und Medizintechnik. Die Ergebnisse des Kieler Forschungsteams wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science Robotics veröffentlicht.

In der Natur sorgen mechanische Stimuli wie Muskelbewegungen dafür, dass Tierbeine sich an Oberflächen anhaften und wieder lösen. Die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen stattdessen Licht, um ihre künstlichen Haftmechanismus zu kontrollieren, die sie nach Vorbildern aus der Natur gebaut haben. Licht hat den Vorteil, dass es sich sehr präzise einsetzen lässt. Es ist reversibel, kann also an- und ausgeschaltet werden und das in kürzester Zeit, so Emre Kizilkan aus der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik um Professor Stanislav Gorb vom Zoologischen Institut. 

Das neue Kompositmaterial besteht aus zwei Stoffen: Einem klebenden Material (blau) und einem elastischen Kunststoff LCE (Liquid crystal elastomer) (gelb) / Bildquelle: Emre Kizilkan und Jan Strüben

Die Wissenschaftler entwickelten zunächst ein elastisches, poröses Material (LCE, Liquid crystal elastomer), das sich aufgrund seiner speziellen Molekülstruktur biegt, sobald es mit UV-Licht bestrahlt wird. Dabei fiel ihnen auf: Je poröser das Material, desto mehr biegt es sich. Das machten sich die Forschenden zu nutze. Poröse Materialen lassen sich aufgrund ihrer Struktur sehr leicht mit anderen verbinden. Also wird getestet, was passiert, wenn das elastische Material, das sehr gut auf Licht reagiert, mit einem bioinspirierten Material kombiniert wird, das sehr gut klebt.

Das Ergebnis ist ein intelligentes, haftendes Kompositmaterial, das über Licht kontrolliert werden kann. Die Oberfläche besteht aus einer Mikrostruktur aus pilzkopfförmigen Haftelementen, wie sie sich auch an den Füßen einiger Käferarten befindet. Flache oder dreidimensionale Elemente wie kleine Objektträger oder Kugeln aus Glas haften daran an und können damit angehoben werden. Wird das Kompositmaterial mit UV-Licht bestrahlt, biegt es sich. Durch das Krümmen der Oberfläche lösen sich mehr und mehr Haftelemente vom Objekt bis es schließlich wieder abgesetzt werden kann.

Kizilkan und sein Team konnten zeigen, dass sie mit ihrem neuen Material in der Lage sind, Objekte zu transportieren. Außerdem lässt sich der Transport mit Licht sehr präzise steuern und zwar auf Mikroebene. Gorb ergänzt: Sie nutzen das Licht quasi als Fernsteuerung. Außerdem hinterlässt unser bioinspiriertes Klebematerial keine Rückstände auf den Objekten. Die Entdeckung der Forschungsgruppe ist deshalb besonders interessant für den Bau von empfindlichen Sensoren oder winzig kleinen Computerchips. Sie müssen geschützt vor äußeren Einflüssen und Verunreinigungen hergestellt werden, wie zum Beispiel im Reinraum der CAU. Langfristig könnte das neue Material dazu genutzt werden, um Mikroroboter zu entwickeln, die sich durch Licht gesteuert fortbewegen und an Wänden hochklettern können.

Das Forschungsprojekt ist Teil des Sonderforschungsbereich 677 Funktion durch Schalten an der CAU, in dem 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Pharmazie und Medizin fächerübergreifend daran arbeiten, schaltbare molekulare Maschinen zu entwickeln, die zum Beispiel durch Licht gesteuert werden können.

Originalpublikationen

Science Robotics: E. Kizilkan, J. Strueben, A. Staubitz, S. N. Gorb, Bioinspired photocontrollable microstructured transport device. Sci. Robot. 2, eaak9454 (2017). http://robotics.sciencemag.org/content/2/2/eaak9454; DOI: 10.1126/scirobotics.aak9454

Royal Society Open Science: E. Kizilkan, J. Strueben, X. Jin, C. F. Schaber, R. Adelung, A. Staubitz, S. N. Gorb, Influence of the porosity on the photoresponse of a liquid crystal elastomer. R. Soc. Open Sci. 3, 150700 (2016). DOI:10.1098/rsos.150700

http://www.uni-kiel.de