Authors:	Kaveh, Farzaneh
Title:	Wet bioadhesion in tree frogs
Online publication date:	22-Sep-2014
Year of first publication:	2014
Language:	english
Abstract:	Viele Tiere wie etwa Geckos oder Laubfrösche können mittels ihrer Haftscheiben an Oberflächen kleben. Diese Haftscheiben ermöglichen es den Tieren, sich während ihrerrnFortbewegung an Oberflächen anzuheften und wieder zu lösen unabhängig von denrnvorherrschenden Umweltbedingungen. Frösche besitzen mikro- und nanostrukturierternsowie charakteristisch geformte Haftscheiben an Finger- und Zehenenden. Ihre besonderernevolutionäre Errungenschaft, sich stark und zugleich reversibel in sowohl trockenen alsrnauch feuchten Umgebungen anzuhaften, hat die Wissenschaft zur Nachahmung und Untersuchungrndieser Strukturen inspiriert. Zum besseren Verständnis der Mechanismen vonrnAnhaftung und Loslösung bei Laubfröschen wurden weiche, elastische und mikrostrukturierternOberflächen hergestellt, indem PDMS (Polydimethylsiloxan) auf einer Siliziummaskernmit Hexagonstruktur aufgetragen und vernetzt wurde. Dadurch wurden Anordnungenrnvon hexagonalen Mikrosäulen mit spezifischen geometrischen Eigenschaften undrnunterschiedlichen Kontaktgeometrien (normale, flache Form, T-Form und konkave Formrnder Säulenenden) erhalten. Um den Einfluss der van-der-Waals, hydrodynamischen,rnKapillar-und Adhäsionskräfte zu verstehen, wurden verschiedene experimentelle Ansätzernverfolgt: Die auf eine einzelne Säule wirkenden Adhäsionskräfte wurden mittelsrnRasterkraftmikroskopie gemessen. Dazu wurden speziell hergestellte kolloidale Sensorenrnverwendet. Diese Experimente wurden sowohl mit als auch ohne Flüssigkeitsfilm auf derrnSäule durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten den Beitrag von Kapillarkraft und direktenrnKontaktkräften zur Adhäsionskraft bei Vorliegen eines Flüssigkeitsfilms. Die Adhäsionrnfiel umso größer aus, je weniger Flüssigkeit zwischen Sensor und Säule vorhanden war.rnIm Falle einer trockenen Adhäsion zeigte die Säule mit T-Form die höchste Adhäsion. Darndie Haftscheiben der Laubfrösche weich sind, können sie dynamisch ihre Form ändern,rnwas zu einer Änderung der hydrodynamischen Kraft zwischen Scheibe und Oberflächernführt. Der Einfluss der Oberflächenverformbarkeit auf die hydrodynamische Kraft wurderndaher am Modellsystem einer Kugel untersucht, welche sich einer weichen und ebenenrnOberfläche annähert. Dieses System wurde sowohl theoretisch über die Simulation finiterrnElemente als auch experimentell über die Messung mit kolloidalen Sonden untersucht.rnSowohl experimentelle Ergebnisse als auch die Simulationen ergaben eine Abnahme derrnhydrodynamischen Kraft bei Annäherung des kolloidalen Sensors an eine weiche undrnelastische Oberfläche. Beim Entfernen der Sensors von der Oberfläche verstärkte sichrndie hydrodynamische Anziehungskraft. Die Kraft, die zur Trennung eines Partikels von einer Oberfläche in Flüssigkeit notwendig ist, ist für weiche und elastischen Oberflächenrngrößer als für harte Oberflächen. In Bezug zur Bioadhäsion bei Laubfröschen konnternfestgestellt somit festgestellt werden, dass sich der hydrodynamische Anteil zur feuchtenrnBioadhäsion aufgrund der weichen Oberfläche erhöht. Weiterhin wurde der Einflussrndes Aspektverhältnisses der Säulen auf die Reibungskraft mittels eines kolloidalen Sensorsrnuntersucht. Gestreckte Säulen zeigten dabei eine höhere Reibung im Vergleich zu.rnSäulen mit einem gestreckten Hexagon als Querschnitt. Many animals like geckos and tree frogs attach to surfaces by using their special adhesivernpads. The pads allow the animal to attach and detach effectively from surfaces underrndifferent environmental conditions during locomotion. Particularly, frogs have micrornand nano-structured toe pads with specific geometries. Their significant achievementrnof strong but reversible adhesion in dry and wet habitats has inspired us to mimic andrnstudy those structures. In order to understand the attachment and detachment mechanismrnin tree frogs, soft, elastic micro-patterned surfaces were fabricated by applyingrncertain amount of cross linked PDMS (Polydimethylsiloxane) on a hexagonally patternedrnsilicon mask. Arrays of hexagonal micro-pillars with specific geometrical parameters andrndifferent contact geometry (Normal shape, T-shape and, concave cups tips) are obtained.rnTo understand the contributions of van der Waals, hydrodynamic, and capillary forcesrnto adhesion force different experimental approaches have been pursued:rnAdhesion force on single pillar is measured by atomic force microscopy using speciallyrndesigned colloidal probes. Experiments are carried out in presence (wet) and absencern(dry) of an intervening liquid layer. The results revealed the contribution of capillaryrnforce and direct contact forces to the adhesion in the presence of liquid layer and thernadhesion shows the higher value when the less amount of liquid is on the probe. In therncase of dry adhesion, the T-shape structure shows the highest adhesion.rnSince the toe pads of the frogs are soft, they may easily deform dynamically, which in turnrnmay alter the hydrodynamic force between the pads and a surface. To investigate therninfluence of surface deformability on hydrodynamic force, we studied the model system ofrna sphere approaching a soft, planar surface. This system was studied both theoreticallyrnby finite element simulations as well as experimentally by colloidal probe measurements.rnBoth experimental and simulation results proved that an elastic, soft surface has therneffect of decreasing the hydrodynamic force as a colloidal probe approaches the surface.rnHydrodynamic attraction is enhanced when the probe is pulled away. The force requiredrnto separate a particle from a soft, elastic substrates in liquid is higher than that for arnhard substrate. In the context of bioadhesion, the hydrodynamic contribution to wetrnbioadhesion increases due to soft adhering surfaces.rnIn addition, the role of aspect ratio of the pillar on friction force is investigated usingrncolloidal probe. Elongated pillars show the higher friction compared to hexagonal pillars.rnThe friction force is higher at the edge of the elongated pillars.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	MaxPlanck GraduateCenter
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2876
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-38386
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	138 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen