Bionik: Vorbild Haarstruktur

Was Spinnen an der Decke hält

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Forscher finden heraus, warum sich die Jagdspinne Cupiennius salei so gut an senkrechten Oberflächen halten kann (Bild: © Siekmann, Uni Kiel)
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Forscher entschlüsseln die Details der Haftstrukturen von Spinnenbeinen: Die Chitin-Moleküle auf den Haaren der Beine sind besonders angeordnet, um den Belastungen standzuhalten. Die Ergebnisse könnten Grundlage für besonders belastbare Materialien sein.

Problemlos klettern Jagdspinnen an senkrechten Oberflächen oder bewegen sich über Kopf an der Decke. Den nötigen Halt geben ihnen rund eintausend winzige Hafthärchen am Ende ihrer Beine. Diese borstenartigen Haare, die so genannten Setae, bestehen, wie der Spinnenpanzer, vor allem aus Proteinen und dem Vielfachzucker Chitin. Um mehr über ihre Feinstruktur herauszufinden, hat ein interdisziplinäres Forschungsteam aus Biologie und Physik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) den molekularen Aufbau dieser Härchen genauer untersucht.

Haftstrukturen halten Beanspruchung stand

Beim Laufen und Klettern wirken große Kräfte auf die winzigen, nur wenige hundert Nanometer großen, Kontaktplättchen der Spinnenbeine. Diese Haftstrukturen halten der Beanspruchung mühelos stand. „Künstlich hergestellte Materialien gehen dagegen häufig kaputt“, stellt Prof. Stanislav N. Gorb vom Zoologischen Institut der CAU fest. „Wir wollen deshalb herausfinden, warum Spinnenbeine so stabil sind.“

Mit den besten Röntgenstrahlquellen untersucht

Gorb und sein Mitarbeiter, der Zoologe und Biomechaniker Dr. Clemens Schaber, vermuteten, das Geheimnis der stabilen Hafthärchen liege im molekularen Aufbau des Materials. Um ihre These zu überprüfen, arbeiteten sie mit Martin Müller zusammen, Professor am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik und Leiter des Bereichs Werkstoffphysik am HZG. Mit Hilfe der ortsaufgelösten Röntgenbeugung an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich, und am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Petra III bei Desy) in Hamburg schauten sie sich die Hafthärchen der tropischen Jagdspinne Cupiennius salei an.

Fasern verlaufen ähnlich wie bei Sperrholz

„Wir fanden heraus, dass die Chitinmoleküle an der Spitze der winzigen Hafthaaren der Spinne speziell angeordnet sind: Die parallel verlaufende Faserstruktur verstärkt die Hafthärchen“, fasst Müller die Untersuchungen zusammen. „Außerdem ist bemerkenswert, dass die Chitin-Fasern in anderen Teilen der Spinnenbeine in unterschiedlichen Richtungen verlaufen, ähnlich wie bei Sperrholz. Diese Struktur macht den Schaft des Spinnenbeins in verschiedene Richtungen biegbar“, erklärt Schaber, Erstautor der Studie. Die parallele Ausrichtung der Faser-Moleküle in den Hafthärchen hingegen folgt den Zug- und Druckkräften, die auf sie wirken. So fängt sie die Belastungen auf, die beim Anhaften und Ablösen der Spinnenbeine auftreten.

Vorbild für neue belastbare Materialien

Ähnliche Hafthärchen finden sich unter anderem bei Geckos, einer Echsenfamilie. Das Forschungsteam vermutet dahinter deshalb ein zentrales, biologisches Prinzip, um auf verschiedenen Untergründen haften zu können. Für die Entwicklung neuer Materialien mit hoher Belastbarkeit könnte das wegweisend sein.

Intelligente Molekülanordnung wie die in den Chitin-Fasern künstlich auf Nanoebene nachzubilden, ist allerdings eine Herausforderung für die Bionikforschung. „Die Natur verwendet andere Methoden: Ein biologisches Material und seine Struktur wachsen parallel, während das in der künstlichen Herstellung nacheinander ablaufende Schritte sind“, so Gorb. Neue Technologien der additiven Fertigung wie 3D-Druck auf der Nanoskala könnten eines Tages womöglich zur Entwicklung völlig neuartiger von der Natur inspirierter Materialien beitragen.

http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2018.0692

www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/022-spinnen/

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