Geckofüße sind mit einer ultradünnen Lipidschicht überzogen, die ihnen hilft, klebrig zu bleiben

Geckos sind berühmt für ihre griffigen Füße, mit denen sie vertikale Oberflächen mühelos erklimmen können. Sie erhalten diese scheinbare Superkraft von Millionen mikroskopisch kleiner, haarähnlicher Strukturen an ihren Zehen.

Jetzt haben Wissenschaftler diese Strukturen, die Setae genannt werden, noch genauer betrachtet und herausgefunden, dass sie mit einem ultradünnen Film aus wasserabweisenden Lipidmolekülen überzogen sind, der nur einen Nanometer oder Milliardstel Meter dick ist.

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) analysierten die Oberfläche der Setae mit hochenergetischen Röntgenstrahlen, die von einer Art Teilchenbeschleuniger namens Synchrotron abgestrahlt wurden. Das Synchrotronmikroskop zeigte, dass die Lipidmoleküle die Oberfläche der Setae in dichten, geordneten Anordnungen auskleiden.

Lipide können bei diesem Prozess eine Rolle spielen, da sie hydrophob sind, also Wasser abstoßen. „Die Lipide könnten dazu dienen, jegliches Wasser unter den Spateln wegzudrücken, sodass sie einen engeren Kontakt mit der Oberfläche herstellen können“, sagte der Physiker und Co-Autor Tobias Weidner von der Universität Aarhus in Dänemark. „Dies würde Geckos helfen, ihren Halt auf nassen Oberflächen zu behalten.“

Die Setae und Spatel bestehen aus einer Art Keratinprotein, das dem ähnelt, das in menschlichen Haaren und Fingernägeln vorkommt. Sie sind äußerst empfindlich. Die Forscher zeigten, dass die Keratinfasern in Richtung der Setae ausgerichtet sind, was ihnen helfen könnte, Abrieb zu widerstehen.

„Das Aufregendste an diesem biologischen System ist für mich, dass alles auf jeder Ebene perfekt optimiert ist, vom Makro über das Mikro bis hin zum Molekularen“, sagte der Biologe und Co-Autor Stanislav Gorb von der Universität Kiel in Deutschland. „Dies kann biomimetischen Ingenieuren helfen zu wissen, was als nächstes zu tun ist.“

„Sie können sich Gecko-Stiefel vorstellen, die auf nassen Oberflächen nicht rutschen, oder Gecko-Handschuhe zum Halten von nassen Werkzeugen“, sagte NIST-Physiker und Co-Autor Dan Fischer. „Oder ein Fahrzeug, das Wände hochfahren kann, oder ein Roboter, der an Stromleitungen entlangfahren und diese inspizieren kann.“

Das NIST-Synchrotronmikroskop, das die Forscher zur Analyse der Setae verwendeten, ist einzigartig in seiner Fähigkeit, Moleküle auf der Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts zu identifizieren, ihre Orientierung zu messen und ihre Position abzubilden. Es befindet sich im Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums, wo die National Synchrotron Light Source II, ein 800 m langer Teilchenbeschleuniger, eine Quelle für hochenergetische Röntgenstrahlen zur Beleuchtung darstellt.

Dieses Mikroskop wird normalerweise verwendet, um die Physik fortschrittlicher Industriematerialien zu verstehen, darunter Batterien, Halbleiter, Solarmodule und medizinische Geräte.

„Aber es ist faszinierend, herauszufinden, wie Geckofüße funktionieren“, sagte Fischer, „und wir können viel von der Natur lernen, wenn es darum geht, unsere eigene Technologie zu verbessern.“

Ein internationales Forscherteam veröffentlichte die Ergebnisse in Biologie Briefe. Ein früheres Begleitpapier, veröffentlicht in Physikalische Chemie Briefeverwendeten die gleiche Technik, um zu zeigen, wie die einzelnen Proteinstränge, aus denen die Setae bestehen, ausgerichtet sind.

„Es war bereits viel darüber bekannt, wie Setae mechanisch funktionieren“, sagte der NIST-Physiker und Co-Autor Cherno Jaye. „Jetzt verstehen wir besser, wie sie in Bezug auf ihre molekulare Struktur funktionieren.“

Geckos haben viele Produkte inspiriert, darunter Klebebänder mit borstenähnlichen Mikrostrukturen. Das Verständnis der molekularen Eigenschaften von Setae könnte Erfinder, die sich von der Natur inspirieren lassen – ein Konzept namens Biomimikry – dazu bringen, noch bessere Designs zu entwickeln.

Setae bieten Haftkraft, weil sie flexibel sind und die mikroskopischen Konturen jeder Oberfläche annehmen, auf der der Gecko klettert. Noch kleinere Strukturen an den Enden der Setae, Spatel genannt, haben einen so engen Kontakt mit der Kletteroberfläche, dass Elektronen in beiden Materialien interagieren und eine Art Anziehung erzeugen, die als Van-der-Waals-Kräfte bezeichnet wird. Um seinen Fuß zu lösen, der sonst stecken bleiben könnte, ändert der Gecko den Winkel der Setae, unterbricht diese Kräfte und ermöglicht dem Tier, seinen nächsten Schritt zu tun.