Nanoscale adhesion of individual gecko spatulae explored by atomic force microscopy

Abstract

Attachment mechanisms of animals that can cling to walls and even walk on ceilings have drawn a significant amount of scientific and public attention. The gecko is one of the heaviest and best clinging animals and it has developed intricate hierarchical structures consisting of toes (millimeter dimensions), lamellae (400-600 µm size), setae (micron dimensions) and spatulae (~ 200 nm size). At first this work gives the reader a theoretical background of the techniques used and the underlying physical principles. By means of these techniques the adhesion force for individual spatulae on glass at ambient conditions could be measured and was found to be about 10 nN. This became only possible using the milling facility of a focused ion beam microscope for specimen preparation. The pull-off force was additionally measured as a function of various parameters (air humidity, surface chemistry and surface roughness) and it turned out that the gecko adhesion was remarkably influenced by the presence of water. The pull-off forces were proportional to the relative humidity varied inside an air tight container and increased with decreasing water droplet contact angle of the wafer used. The data obtained were modeled theoretically to explain the observed adhesion phenomena. Two physical theories were presented which are based on concepts of macrocapillarity and the effect of water monolayers on the van der Waals interaction. Both theories showed good agreement with the experimental data. The pull-off forces were also sensitive to the substrate topography. In cases where the surface roughness was in the critical range of the spatula size, presumably imprecise contact formation led to a distinct minimum of the measured adhesion values compared to smoother or rougher surfaces. Furthermore the mechanical properties of single setae could be determined for the first time. The hairs were mechanically tested by three methods: (a) in situ tensile tests using a focused ion beam microscope, (b) three-point bending tests using atomic force microscopy (AFM) and (c) nanoindentation. The results presented in this work shed new light on the nanomechanisms of gecko’s attachment and will help in the rational design of artificial bio inspired attachment systems.

Das Haftvermögen von Tieren, welche an Wänden oder gar Decken laufen können, erzeugt ein beträchtliches öffentliches und wissenschaftliches Interesse. Von allen Tieren ist der Gecko das Schwerste und am besten Haftende, was durch komplexe, hierarchische Haarstrukturen auf der Unterseite seines Fußes ermöglicht wird. Der typische Geckofuß besteht aus Lamellen (400-600 µm lang), Setae (~6 µm breit und ~100 µm lang) und Spatulae (~200 nm breit und lang). Diese Arbeit gibt dem Leser zunächst den theoretischen Hintergrund der benutzten Experimentaltechniken samt der zu Grunde liegenden Physik mit auf den Weg. Mit Hilfe dieser Techniken konnten die Adhäsionskräfte einzelner Spatulae unter Laborbedingungen reproduzierbar zu 10 nN bestimmt werden. Hierfür unverzichtbar war die Probenpräparation mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahlmikroskops. Zusätzlich wurde die Ablösekraft als Funktion verschiedener Parameter (Humidität, Hydrophilitätsgrad und Oberflächenrauhigkeit) gemessen. Dabei stellte sich heraus, dass die Adhäsionskraft stark von der zur Verfügung stehenden Wassermenge abhing. So stiegen im Inneren eines luftdichten Behälters die Kraftwerte mit zunehmendem Humiditäts- und Hydrophilitätsgrad an. Die experimentell gewonnenen Daten wurden mit Hilfe zweier theoretischer Modelle erklärt. Beide Theorien zeigten gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten. Das erste Modell erklärte die Daten mit Hilfe einer Formel für makroskopische Kapillarkräfte, welche auf Nanometer große Wasserbrücken angewendet wurde. Das zweite Model berücksichtigte den Effekt von Wassermonolagenbedeckung auf die van der Waals Kräfte. Die Adhäsionskräfte einer einzelnen Spatula waren außerdem empfindlich gegenüber der Substratrauhigkeit. Sobald die Rauhigkeitswerte in den Bereich der Spatulagröße kamen, führte vermutlich eine unpräzise Kontaktausbildung zu einem distinkten Minimum der Adhäsionskraftwerte im Vergleich zu deutlich glatteren oder rauheren Oberflächen. Desweiteren konnten erstmals die mechanischen Eigenschaften einzelner Setae determiniert werden. Die Haare wurden mit Hilfe dreier unterschiedlicher Methoden untersucht: (a) in situ Zugversuche im fokussierten Ionenstrahlmikroskop, (b) Dreipunkt Biegeversuche mittels Raserkraftmikroskopie (eng. AFM) und (c) Nanoindentierungsversuche. Die hier präsentierten Ergebnisse ermöglichen neue Einblicke in die Gecko-Adhäsion auf der Nanoskala und werden bei der Entwicklung künstlicher, biologisch inspirierter Klebebänder helfen.