Nanokleber hält auch unter Wasser

Wer mit einem Pflaster schwimmen geht, muss bekanntlich damit rechnen, dass es sich löst und Feuchtigkeit in die Wunde gelangt. Wissenschaftler an der Northwestern University im amerikanischen Bundesstaat Illinois wollen dieses und andere ähnliche Probleme künftig vermeiden helfen: Mit einem neuartigen Kleber, der sogar an feuchten Oberflächen hervorragend haftet. Darüber hinaus soll er sich mehr als 1000 Mal ablösen und wieder aufkleben lassen, ohne dass er an Klebekraft verliert.

Der so genannte Nanokleber besteht aus 400 Nanometer breiten Siliziumpfeilern, die mit einem Polymer überzogen sind. Dieses Kunststoffmaterial orientiert sich an der Natur – genauer gesagt an einem Klebeprotein, das auch Miesmuscheln verwenden. Neben dem Einsatz in Pflastern könnte sich das Haftmaterial auch für medizinische Patches eignen, mit denen Medikamente in den Körper abgegeben werden. Selbst zum Schließen chirurgischer Wunden wäre es geeignet, meint Phillip Messersmith, Professor für Biomedizintechnik an der Northwestern, der das Projekt leitete.

Zahlreiche Forscher arbeiten bereits an Klebstoffen, die sich an den kleinen, haarähnlichen Strukturen orientieren, die an den Füßen von Geckos zu finden sind. Die Eidechsenart klettert damit problemlos die Wände hoch und bleibt selbst an Decken haften – und das sogar mit nur einem Zeh. Klitzekleine Pfeiler aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben bereits ein Klebeband ermöglicht, dass ähnlich stark wie die Gecko-Haftkraft wirkt – doch feuchte Oberflächen mag es gar nicht. Ali Dhinojwala, Professor für Polymer-Wissenschaften an der University of Akron erläutert das Problem: Die Nanopfeiler in einer Größenordnung von Tausenden von Nanometern brechen im Wasser schlicht zusammen, weil sich ein zu hoher Druck aufbaut.

Der neue Nanokleber basiert auf einem ähnlichen Prinzip, funktioniert unter Wasser aber aus zwei Gründen besser: Die Pfeiler sind kleiner, so dass sie nicht zusammenbrechen können. Außerdem arbeitet die dünne Polymerschicht, die sich an den Klebeproteinen im Wasser lebenden Muscheln orientiert, auch bei Feuchtigkeit. Das Ergebnis ist ein Kleber, der genauso gut an feuchten Oberflächen haftet wie ein Gecko oder ein Post-It-Zettel an trockenen.

Im Prototypen-Stadium lassen sich allerdings bislang nur zwei Quadratmillimeter mit dem Nanomaterial überziehen. Die größte Herausforderung der Forscher ist nun, auch größere Flächen zu gestalten. "Ein vernünftiger Kleber muss im Quadratmeter-Bereich haften – nicht nur im Millimeter-Bereich", sagt Messersmith.

Auf größeren Flächen wird es jedoch schwieriger, jeden der Nanopfeiler zum Kleben an der Oberfläche zu bewegen, erläutert Metin Sitti, Maschinenbauingenieur an der Carnegie Mellon University, der an ähnlichen Klebstoffen arbeitet. Die kurzen Pfeiler in dem neuen Haftmaterial machten das besonders schwierig: "Wenn die Oberfläche rauer als deren Höhe ist, bleibt ein großer Teil ganz einfach in der Luft hängen. Dann muss man sehr viel andrücken."

Im Gegensatz zu anderen Nanoklebern setzt Messersmith nicht auf die so genannte Van-der-Waals-Bindung. Statt diesem physikalischen Prozess ergibt sich eine chemische Interaktion der Oberfläche mit den Hydroxysäure-Gruppen in dem künstlichen Muschelprotein. Aus diesem Grund könnte es sein, meint zumindest Messersmith-Konkurrent Dhinojwala, dass der Kleber nicht mit allen Oberflächen funktioniert.

Das Northwestern-Team ist jedoch überzeugt, dass sich ihr Haftmaterial als vielseitig erweisen wird: "Diese funktionalen Hydroxysäure-Gruppen haben das Potenzial, an einer Vielzahl von Oberflächen zu haften." Gezeigt wurde dies bislang unter anderem an Siliziumnitrid, Titanoxid und Gold – allesamt Stoffe, die in der Elektronik verwendet werden. Soll der Nanokleber hingegen für Pflaster und medizinische Anwendungen genutzt werden, muss er auch an Haut haften. Bei anderen Miesmuschel-inspirierten synthetischen Proteinen mit ähnlichem chemischen Aufbau wurde das bereits gezeigt: "Die Muscheln kleben einfach überall – egal ob an Holz oder der Haut von Walen", meint Messersmith. (bsc)