Synthesis and adhesion of biomimetic contact elements

Abstract

The ability of different animals to walk along ceilings and walls has inspired basic research in order to understand the underlying mechanisms as well as efforts to transfer the working principles to technical products as new dry adhesives. The clinging capabilities result from highly sophisticated fibrillar attachment microstructures under the animal feet.

Several groups have fabricated and tested biomimetic attachment samples. Although there are various contact element geometries in biology, the influence of shape has not been addressed in previous research. In this study a Focused Ion Beam technique was introduced for predefining contact element shapes. The milling of arbitrarily shaped molds and indentation tips was achieved by implementing a software tool for a commercial FIB FEI 200™ focused ion beam microscope. The method yields specifically shaped single micro contact elements as well as of periodic arrays. The feasibility of hierarchical structures was also demonstrated. Specimens were characterized using light microscopy, SEM and FIB as well as white light profilometry.

Adhesion measurements were performed with a modified commercial nanoindenter XP™ (MTS Systems Corporation, Oak Ridge, USA), thus spanning the force and size range gap between coarse load-cell techniques and AFM measurements. A procedure for highly automated testing of biomimetic prototypes with sub-µN force and nm displacement resolution was established. The capability of measuring specimens only a few hundred µm²in cross-sectional area resulted in a reduced production effort in sequential fabrication processes. Experiments were performed to experimentally verify the influence of contact element shape and size and to contribute to better understanding of the attachment and detachment mechanisms of bioinspired fibrillar attachment. The scaling behavior of adhesion forces in microscopic single contacts was determined for spheres and flat punches. It agrees well with contact mechanic estimates. Measurements on microscopic pillar structures werealso performed to investigate the collective attachment behavior of fibrillar structures. A numeric model for describing the detachment dynamics of a fibrillar structure was derived. The modelled forces of the single detachment events match the experimental results well. The influence of surface modification was determined for oxidation and fluorosilanisation. In this context, a qualitative model was intoduced to explain the unexpectedly high adhesion forces on fluorinated polymer surfaces.

Die Fähigkeit verschiedener Tiere an Decken und Wänden entlangzulaufen, hat Untersuchungen zu den grundlegenden Mechanismen angestoßen und den Wunsch geweckt, die Funktionsweisen auf neuartige trockene Klebstoffe zu übertragen. Die Hafteigenschaften sind das Ergebnis hoch komplexer Mikrostrukturen an den Füßen der Tiere.

Mehrere Forschungsgruppen haben biomimetische Haftstrukturen hergestellt und deren Haftung untersucht. Obwohl in der Biologie vielfältig geformte Kontaktelemente vorkommen, wurde der Einfluss der Geometrie bisher nicht experimentell untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Herstellung definierter Kontaktelemente mit dem fokussierten Ionenstrahlmikroskop eingeführt. Durch ein eigens entwickeltes Computerprogramm für ein kommerzielles FIB FEI 200™ Ionenstrahlmikroskop, konnten beliebig geformte Mikrogussformen und Indenterspitzen erzeugt werden. Mit dem Verfahren lassen sich sowohl einzelne Kontaktelemente als auch periodische Anordnungen von Einzelkontakten herstellen. Ferner wurde die Fertigung hierarchischen Säulenstrukturen demonstriert. Die Proben wurden mittels Lichtmikroskopie-, Rasterelektronen-, Ionenstrahlmikroskopie und Weißlichtprofilometrie charakterisiert.

Durch den Einsatz eines modifizierten kommerziellen Nanoindenters XP™ (MTS Systems Corporation, Oak Ridge, USA) für die Adhäsionsmessungen, konnte die Kluft zwischen groben Lastzellenmessungen und der Rasterkraftmikroskopie geschlossen werden. Es wurde ein Verfahren für hochautomatisierte Untersuchungen an biomimetischen Prototypen mit einer Kraftauflösung Submikronewtonbereich und einer Weggenauigkeit im Nanometerbereich etabliert. Durch die Möglichkeit, die Haftung von Proben mit einer Ausdehnung von nur einigen hundert Nanometern zu messen, reduziert sich der Aufwand für die Herstellung von Prototypen bei sequentiellen Strukturierungsverfahren. Es wurden Messungen durchgeführt, um den theoretischen Einfluss von Größe und Geometrie der Kontaktelemente zu verifizieren, und um ein besseres Verständnis der Haftungs- und Lösungsmechanismen bei biomimetischen Haftstrukturen zu erzielen. Das Skalierungsverhalten der Adhäsion in mikroskopischen Kontakten wurde für Halbkugeln und Stempel unterschiedlicher Durchmesser bestimmt. Es stimmt gut mit kontaktmechanischen Vorhersagen überein. Mit weiteren Messungen wurde das kollektive Haftverhalten mikroskopischer Säulenstrukturen untersucht. Es wurde ein numerisches Modell zur Beschreibung des Ablösevorgangs erstellt, welches die Kräfte der einzelnen Ablösevorgänge gut beschreibt. Außerdem wurde das Haftverhalten oberflächenbehandelter Kontakte untersucht, bei denen eine Oxidation bzw. eine Silanisierung mit einem Perfluorsilan durchgeführt wurde. In diesem Zusammenhang wurde ein qualitatives Modell vorgestellt, um die unerwartet hohen Haftkräfte bei fluorterminierten Kunststoffoberflächen zu erklären.