Bionik-Beispiel Regenwurm: Besser gleiten in fester Umgebung

Oberflächentechnik

Selbstschmierend in fester Umgebung – nach dem Beispiel des Regenwurms

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Vorbild Regenwurm: Das neue „atmende“ System schmiert sich selbst, wenn Druck auf das Material ausgeübt wird Bild: Iris Mauer
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Aus einem weichen Kunststoff, der Silikonöl enthält, haben Forscher eine selbstschmierende Oberfläche entwickelt. Für Industrie und Biomedizin soll das interessante Anwendungen ermöglichen.

Regenwürmer sind immer sauber, selbst wenn sie aus noch so feuchter, klebriger Erde kommen. Das haben sie einer Schmutz abweisenden, gleitfördernden Schmierschicht zu verdanken, die sich auf ihrer Haut immer wieder selbst bildet. Forscher vom INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien gGmbH in Saarbrücken haben dieses System anhand des Beispiels aus der Natur nun künstlich nachgebaut: Sie entwickelten ein Material mit einer Oberflächenstruktur, die sich selbst immer dann mit Schmiermittel versorgt, wenn Druck ausgeübt wird. Da das so geschmierte Material reibungsmindernd ist und auch das Aufwachsen von Mikroben verhindert, können sich die Wissenschaftler zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Biomedizin vorstellen.

Die Forscher haben ihr Material aus einem weichen Kunststoff entwickelt, in dessen Innerem sich Tröpfchen aus Silikonöl als Schmiermittel befinden. „Wenn wir Druck auf das Material geben, verändern die Tröpfchen ihre Form und wandern an die Oberfläche“, erklärt Jiaxi Cui, Leiter der Forschungsgruppe Schaltbare Mikrofluidik. „Das Silikonöl verteilt sich dann gleichmäßig auf der Oberfläche zu einer wasser- und schmutzabweisenden Gleitschicht.“ Verringert sich der Druck, bilden sich die Tröpfchen zurück. Darüber hinaus lässt sich die Gleitschicht entfernen. Sie bildet sich immer wieder neu, sobald Druck auf das Material einwirkt. „Es reagiert also dynamisch auf Druck – wie ein ‚atmendes‘ System“, fasst Cui zusammen.

Die Oberflächenstruktur des neuen Materials spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. „Auch hierbei haben wir uns vom Regenwurm inspirieren lassen“, erläutert Cui. Die Hautoberfläche des Wurmes sei nicht glatt, sondern rau. „Das haben wir bei unserem Material berücksichtigt und die Oberfläche aufgeraut.“ Gerade durch diese Rauigkeit könne sich ein gleichmäßiger Schmierfilm ausbilden und gut haften bleiben. Davon hängt ab, wie reibungsmindernd sich das neue Material verhalten kann.

Oberfläche mit Strukturen
gleitet länger gut

Die Oberflächenstruktur sei aber auch für die Langlebigkeit der Schmierwirkung von Bedeutung. „Wir haben den Gleitfilm auf unseren ‚Regenwurmstrukturen‘ mit einem Gleitfilm auf einer glatten Oberfläche verglichen: Unsere Strukturen überstehen 10 000 Reibungszyklen, während es bei Gleitfilmen auf glatten Strukturen nur 300 Reibungszyklen sind“, sagt der Chemiker Cui.

Einige Strukturen, die die Reibung vermindern, gibt es schon, darunter auch solche, die der Funktionsweise von Tierhäuten nachempfunden sind. Auch Systeme, die selbst Schmierstoffe freisetzen, sind von Forschern untersucht. Sie alle funktionieren bisher jedoch nur in flüssiger Umgebung. „Wir stellen erstmals eine Anwendung vor, die die Reibung in fester Umgebung verringert“, betont Cui. Der Regenwurm, der durch eine feste Umgebung, nämlich den Boden, gleite,
sei dafür ein gutes Vorbild. Die Forscher können sich zahlreiche Anwendungen
in der Industrie oder Biomedizin vor stellen, nämlich immer dann, wenn ein Gerät reibungslos durch etwas Festes gleiten soll. (op)


Über die Forscher

Das INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien mit Sitz in Saarbrücken ist ein internationales Zentrum für Materialforschung. Es kooperiert wissenschaftlich mit nationalen und internationalen Instituten. Die Forschung gliedert sich in die Felder Nanokomposit-Technologie, Grenzflächenmaterialien und Biogrenzflächen. Das INM ist ein Institut der Leibniz-Gemeinschaft und beschäftigt rund 250 Mitarbeiter.

www.inm-gmbh.de

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