Max-Planck-Institut für Metallforschung Stuttgart N A I G ANOSCALE DHESION OF NDIVIDUAL ECKO S E PATULAE XPLORED BY A F M TOMIC ORCE ICROSCOPY Gerrit Huber Dissertation an der Universität Stuttgart Bericht Nr. 183 Januar 2006 NANOSCALE ADHESION OF INDIVIDUAL GECKO SPATULAE EXPLORED BY ATOMIC FORCE MICROSCOPY Von der Fakultät für Chemie der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Dipl.-Ing. Gerrit Huber aus Saarbrücken Hauptberichter: Prof. Dr. phil. Eduard Arzt Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Frank Mücklich Tag der mündlichen Prüfung: 23. Januar 2006 INSTITUT FÜR METALLKUNDE DER UNIVERSITÄTSTUTTGART und MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR METALLFORSCHUNG STUTTGART Stuttgart, Januar 2006 Nil tam difficile est, quid quaerendo investigari non possit. (Terenz, Heauton Timorumenos) D ANKSAGUNG D iese Dissertation wurde von November 2002 bis November 2005 am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart angefertigt. Einige Ergebnisse der Arbeit wurden bereits in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht. So wurden Teile des dritten Kapitels in Biology Letters 1, 2-4 (2005) publiziert. In den Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 102, 16293-16296 (2005) finden sich Ergebnisse des vierten Kapitels wieder. Ich möchte allen, die auf unterschiedlichste Weise zum Gelingen der Arbeit beitrugen, meinen herzlichen Dank aussprechen. Z uallererst danke ich Herrn Prof. Arzt für die Möglichkeit in seiner großartigen Abteilung promovieren zu dürfen. Ich empfand die zahlreichen, mitunter durchaus sehr intensiven und manchmal auch emotionalen Diskussionen mit ihm durchweg als äußerst bereichernd und stimulierend. D esweiteren gilt mein ganz besonderer Dank Dr. Stanislav Gorb und Prof. Ralph Spolenak, die mich während meiner Promotion auf wundervolle Weise betreut und begleitet haben. Ihre große Diskussions- und Hilfsbereitschaft verbunden mit wohltuender menschlicher Nähe waren mir eine beständige und starke Stütze. H errn Prof. Mücklich verdanke ich sehr frühzeitige wissenschaftliche Förderung und damit sozusagen die Grundsteinlegung für diese Dissertation, bei der er sich freundlicherweise für die Übernahme des Mitberichts bereit erklärte. A ußerdem ist es mir eine große Freude Hubert Mantz (insbesondre für seine Ellipsometrie- messung), Prof. Karin Jacobs, Prof. Klaus Mecke sowie Prof. Jacob Israelachvili für die zahlreichen Diskussionen und die Zusammenarbeit bei der Klärung der Frage über die Rolle der Kapillarkräfte zu danken. Diese Hilfe schlug sich insbesondere in Kapitel 4 nieder. D ie gemeinsame Realisierung verschiedener in situ Versuche verdanke ich meinem Kollegen Steffen Orso, der mit seiner geschickten Mikromanipulator Steuerung so manche Gecko Seta in „Zugzwang“ brachte. Außerdem danke ich Dr. Susan Enders, die es verstand diese Haare mit Hilfe ihres Nanoindenters gehörig unter Druck zu setzen. Die erkenntnisreichen Ergebnisse beider Torturen lassen sich in Kapitel 6 nachlesen. H errn Dr. Detlef Knebel und Christian Löbbe von der JPK instruments AG danke ich für den guten Support und ihre prompte Hilfe bei Soft- oder Hardwareproblemen insbesondere aber für das Programmieren des Java Skriptes. A llen Kolleginnen und Kollegen am Institut und insbesondere der Abteilung Arzt möchte ich für fruchtbare Diskussionen und die besonders angenehme Arbeitsatmosphäre danken. E inen besonderen Dank möchte ich an dieser Stelle auch an Frau Hess richten, die mit ihrem unermüdlichen Einsatz mir so manch bürokratisches Hindernis aus dem Weg räumte, bevor ich überhaupt eine Chance hatte darüber zu stolpern. B ei Nicole, Astrid, Nato, Laura, Natascha und natürlich meinem Lieblingsbüronachbarn Guillaume möchte ich mich für ihre Freundschaft und Hilfe in herzlicher Verbundenheit bedanken. Unvergessen werden mir die aufmunternden Kaffeerunden in der Mittagspause bleiben, sowie die humorvolle, intensive Pflege deutsch-französischer Nachbarschafts- beziehungen in 4N18. Insbesondere „Cordialement merci beaucoup“ für die nützlichen Anmerkungen bei der kritischen Durchsicht meiner Dissertation! H errn Dr. Heinz Paulus danke ich in freundschaftlicher Verbundenheit für seine hilfreichen Hinweise bezüglich der englischen Sprache. A micus certus in re incerta cernitur (Cicero, De Amicitia). Ich hoffe nicht allzu oft unsichere Situationen durchleben zu müssen, aber zwei sehr gute Freunde an meiner Seite wissen zu dürfen, ist für mich eine unerschöpfliche Quelle großer Freude und tiefen Vertrauens- Kai, Claus- ich bin sehr froh, dass es Euch gibt! F „ ür die Welt bist du irgendjemand. Für irgendjemanden bist du die Welt.” (Aristoteles) Liebe Eva - Du bist meine Welt! O „ n ne voit bien qu'avec le coeur. L'essentiel est invisible pour les yeux. ” (Antoine de Saint- Exupéry) Meiner Mutter Gisela und meinem Vater Hans-Georg möchte ich sehr danken, dass sie mich nicht nur diese Weisheit lehrten, sondern mir beständig und in reichstem Überfluss Mut, Kraft und Vertrauen schenkten, so wie es nur wundervolle Eltern können. 1 Index INDEX................................................................................................................ 1 SYMBOLS AND ABBREVIATIONS.................................................................. 5 1 INTRODUCTION AND MOTIVATION...................................................... 11 2 LITERATURE REVIEW............................................................................ 15 2.1 AFM working principle............................................................................................................16 2.2 Operation modes........................................................................................................................19 2.2.1 Contact mode..........................................................................................................................20 2.2.2 Non-contact mode...................................................................................................................21 2.2.3 Intermittent-contact mode.......................................................................................................22 2.2.4 The Digital Pulsed Force Mode™............................................................................................23 2.3 Tip-surface interactions............................................................................................................24 2.3.1 Electrostatic forces..................................................................................................................25 2.3.2 Electrodynamic forces............................................................................................................26 2.3.3 Capillary forces.......................................................................................................................27 2.4 Contact mechanics.....................................................................................................................29 2.4.1 The Hertz model.....................................................................................................................30 2.4.2 The Johnson-Kendall-Roberts (JKR) model...........................................................................31 2.4.3 The Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) model.......................................................................33 2 Index 2.4.4 Comparison of the models......................................................................................................33 2.5 Research on hairy attachment organs in geckos and other animals.....................................34 3 RESOLVING THE NANOSCALE ADHESION OF INDIVIDUAL GECKO SPATULAE BY AFM .......................................................................................39 3.1 Introduction...............................................................................................................................40 3.2 Experimental..............................................................................................................................43 3.2.1 Preparation of the glass substrate............................................................................................43 3.2.2 Preparation of single spatulae.................................................................................................44 3.2.3 Force measurement for a single spatula during perpendicular pull.........................................46 3.3 Results.........................................................................................................................................48 3.4 Discussion...................................................................................................................................50 3.5 Summary....................................................................................................................................53 4 EVIDENCE FOR CAPILLARITY CONTRIBUTIONS TO GECKO ADHESION.......................................................................................................55 4.1 Introduction...............................................................................................................................56 4.2 Experimental..............................................................................................................................57 4.2.1 Preparation of the substrates...................................................................................................57 4.2.2 Force measurement for a single spatula..................................................................................57 4.3 Results.........................................................................................................................................58 4.4 Discussion...................................................................................................................................61 4.4.1 Explanation by capillary forces due to nanobridges...............................................................63 4.4.2 Explanation by a change of the effective short-range substrate interaction due to adsorbed monolayers of water..............................................................................................................................67 4.4.3 Comparison of the two models...............................................................................................69 4.5 Summary....................................................................................................................................72