Gekkofødder er belagt med et ultratyndt lag lipider, der hjælper dem med at holde sig klistrede

Gekkoer er berømte for at have gribende fødder, der giver dem mulighed for let at skalere lodrette overflader. De får denne tilsyneladende superkraft fra millioner af mikroskopiske, hårlignende strukturer på deres tæer.

Nu har forskere zoomet ind for at få et endnu nærmere kig på disse strukturer, kaldet setae, og fundet ud af, at de er belagt i en ultratynd film af vandafvisende lipidmolekyler, der kun er en nanometer, eller milliardtedele af en meter, tykke.

Forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) analyserede overfladen af ​​setae ved hjælp af højenergi røntgenstråler kastet af en type partikelaccelerator kaldet en synkrotron. Synkrotronmikroskopet viste, at lipidmolekylerne beklæder overfladen af ​​setae i tætte, ordnede arrays.

Lipider kan spille en rolle i denne proces, fordi de er hydrofobe, hvilket betyder, at de afviser vand. "Lipiderne kan fungere til at skubbe alt vand væk under spatlerne, så de kan komme tættere på overfladen," siger fysiker og medforfatter Tobias Weidner fra Aarhus Universitet i Danmark. "Dette ville hjælpe gekkoer med at bevare deres greb på våde overflader."

Setae og spatler er lavet af en type keratinprotein, der ligner det, der findes i menneskehår og fingernegle. De er ekstremt sarte. Forskerne viste, at keratinfibrene er justeret i retning af setae, hvilket kan hjælpe dem med at modstå slid.

"Det mest spændende for mig ved dette biologiske system er, at alt er perfekt optimeret på enhver skala, fra makro til mikro til molekylær," sagde biolog og medforfatter Stanislav Gorb fra Kiel Universitet i Tyskland. "Dette kan hjælpe biomimetiske ingeniører med at vide, hvad de skal gøre nu."

"Du kan forestille dig gekko-støvler, der ikke glider på våde overflader, eller gekko-handsker til at holde våde værktøjer," sagde NIST-fysiker og medforfatter Dan Fischer. "Eller et køretøj, der kan køre op ad vægge, eller en robot, der kan køre langs elledninger og inspicere dem."

NIST synkrotronmikroskopet, som forskerne brugte til at analysere setae, er unikt i sin evne til at identificere molekyler på overfladen af ​​et tredimensionelt objekt, måle deres orientering og kortlægge deres position. Det er placeret ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, hvor National Synchrotron Light Source II, en halv kilometer lang partikelaccelerator, giver en kilde til højenergi røntgenstråler til belysning.

Dette mikroskop bruges typisk til at forstå fysikken i avancerede industrielle materialer, herunder batterier, halvledere, solpaneler og medicinsk udstyr.

"Men det er fascinerende at finde ud af, hvordan gekkofødder fungerer," sagde Fischer, "og vi kan lære meget af naturen, når det kommer til at forbedre vores egen teknologi."

Et internationalt hold af forskere offentliggjorde resultaterne i Biology Letters . Et tidligere ledsagende papir, offentliggjort i Physical Chemistry Letters , brugte den samme teknik til at vise, hvordan de individuelle proteinstrenge, der udgør setae, er justeret.

"Meget var allerede kendt om, hvordan setae fungerer mekanisk," sagde NIST-fysiker og medforfatter Cherno Jaye. "Nu har vi en bedre forståelse af, hvordan de fungerer i forhold til deres molekylære struktur."

Gekkoer har inspireret mange produkter, herunder klæbebånd med setae-lignende mikrostrukturer. At forstå de molekylære egenskaber ved setae kan få opfindere, der finder inspiration i naturen – et koncept kaldet biomimicry – til at komme med endnu bedre designs.

Setae giver klæbekraft, fordi de er fleksible og antager de mikroskopiske konturer af hvilken overflade gekkoen klatrer op på. Selv mindre strukturer i enderne af setae, kaldet spatler, har så tæt kontakt med klatreoverfladen, at elektroner i begge materialer interagerer, hvilket skaber en type tiltrækning kaldet van der Waals-kræfter. For at frigøre sin fod, som ellers kunne blive siddende, ændrer gekkoen vinklen på setae, afbryder disse kræfter og tillader dyret at tage sit næste skridt. + Udforsk yderligere

Gecko-undersøgelse viser, at små morfologiske ændringer kan føre til store ændringer i funktion