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Unraveling Molecular Mechanisms of Gecko Adhesion: Multi-Scale Molecular Dynamics

Materzok, Tobias (2023)
Unraveling Molecular Mechanisms of Gecko Adhesion: Multi-Scale Molecular Dynamics.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023297
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Unraveling Molecular Mechanisms of Gecko Adhesion: Multi-Scale Molecular Dynamics
Language: English
Referees: Müller-Plathe, Prof. Dr. Florian ; Gorb, Prof. Dr. Stanislav N. ; Carbone, Prof. Dr. Paola
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 120 Seiten
Date of oral examination: 20 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023297
Abstract:

Gecko adhesion has attracted considerable scientific and public attention over the past two decades. Much effort is going into developing mimetics and gecko-inspired adhesives to replicate the gecko's adhesive mechanisms. Although much research has focused on the hierarchical micrometer and submicrometer structures of the gecko foot leading to the extraordinary gecko adhesion, the molecular-level mechanisms have remained largely unexplored. This work presents a novel multiscale simulation approach that allows us to study gecko adhesion at multiple length scales, from the atomistic to the mesoscale. We investigate the effect of humidity, the role of electrostatic interactions, and the impact of surface roughness on gecko adhesion. Finally, we reconcile a long-standing scientific debate regarding the primary mechanism of gecko adhesion under humid conditions, providing clarity and confirming the significant role of a previously undiscovered molecular mechanism in enhancing adhesion.

Our simulations go beyond previous computational and theoretical studies of gecko adhesion, which treated the spatula and surface as continuum bodies and modeled their interaction using the Hamaker theory. Instead, we bridge the gap in our understanding of gecko adhesion by using molecular dynamics simulations to investigate the molecular mechanism, uncovering a previously unknown effect called water-mediation. This mechanism involves small numbers of water molecules filling the gaps between keratin and the surface and increasing the number of keratin-surface contacts by partially absorbing into the keratin at the interface, thereby increasing the local density and the effective surface energy of the spatula.

Parallel to the endeavor of designing synthetic gecko-inspired adhesives, the remarkable impact of relative humidity (or the presence of water) on the stickiness of gecko spatulae and setae has been discovered. Through single-spatula atomic force microscopy experiments, it was found that the pull-off forces required to separate two surfaces increased with the relative humidity and decreased with the water contact angle of the surface. Despite years of investigation into the adhesion phenomena, the molecular mechanisms behind humidity-enhanced adhesion had remained elusive due to limitations in resolution and length scale. This work addresses this gap by combining molecular dynamics simulations, a true multiscale protocol, with experimental literature, providing a deeper understanding of the molecular mechanisms in gecko adhesion and its response to relative humidity.

The present work extends the understanding of attachment to rough surfaces. It shows that the stickiness decreases as the size of the surface features falls below the spatula contact area. We demonstrate that spatula-softening, the process by which the stiffness of the spatula decreases due to the presence of water, only assists adhesion at near saturation, meaning that the ambient relative humidity is close to 100%. While previous studies have suggested capillary forces as an alternative mechanism to spatula-softening, superhydrophobic surfaces lack attractive capillary forces. Nevertheless, we still observe increased adhesion under humid conditions compared to dry conditions on superhydrophobic surfaces. We conclude that water-mediation determines humidity-enhanced adhesion on hydrophobic flat and rough surfaces and that spatula-softening assists adhesion when the surface is rough and the ambient relative humidity is well above 80%.

Unlike on hydrophobic surfaces, keratin shows a remarkable difference on hydrophilic surfaces. The folding of polar and charged amino acids towards the hydrophilic surface maximizes electrostatic and van-der-Waals interactions, leading to a stronger attachment, even in dry conditions. The keratin attaches closer to flat hydrophilic surfaces than hydrophobic surfaces, even in dry conditions. These observations suggest that the keratin exhibits a functional-polymer-like ability to selectively change its tertiary structure upon contacting a hydrophilic surface. Moreover, we find that the presence of water enhances adhesion to hydrophilic surfaces due to water-mediated interactions between the keratin and the surface.

Overall, this work provides new insights into the molecular mechanisms of gecko adhesion and may be useful in finding new directions for developing gecko-inspired adhesives that can function effectively under a wide range of humidity conditions, by optimizing for water-mediated adhesion. Our work highlights the importance of considering the molecular-level interactions and the role of water in adhesion and provides a new direction for future research in this field.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Diese Arbeit präsentiert einen Multi-Skalen-Simulationsansatz, um die Mechanismen der Geckohaftung in Längenskalen von atomar bis mesoskalig zu untersuchen. Wir haben unsere Modelle und Verfahren gegen Experimente validiert und liefern neue molekulare Erkenntnisse zur Geckohaftung. Wir untersuchen den Effekt von Feuchtigkeit, die Rolle elektrostatischer Wechselwirkungen und den Einfluss der Oberflächenrauheit auf die Geckohaftung. Ein bedeutender Durchbruch ist unsere Lösung einer fast zwei Jahrzente alten wissenschaftlichen Debatte über den primären Mechanismus der Geckohaftung unter Bedingungen hoher Luftfeuchtigkeit. Wir können zeigen, dass der von uns gefundene wasservermittelte Effekt die Hauptrolle in der Feuchtigkeitsverstärkten Haftung spielt.

Ein besonders signifikanter Aspekt dieser Arbeit ist deshalb die Untersuchung der Rolle von Wasser bei der Feuchtigkeitsverstärkten Haftung. Frühere Hypothesen deuteten darauf hin, dass kapillare Kräfte oder Materialaufweichung als Haupttreiber fungieren. Allerdings zeigen unsere Simulationen, dass Wasser-Moleküle die Lücken zwischen Gecko Keratin und der Oberfläche ausfüllen und die Anzahl und Stärke der Anziehungskräfte zwischen diesen erhöhen. Zudem glättet das Füllen der molekularen Lücken die Spatula-Oberflächen-Grenzfläche und vergrößert dadurch die Kontaktfläche. Wir zeigen in dieser Arbeit, dass dieser wasservermittelte Effekt für die beobachtete Zunahme der Klebrigkeit bei höheren Luftfeuchtigkeit verantwortlich ist.

Ein weiterer signifikanter Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Mesoskalen Modells der Gecko-Spatula, welches experimentelle Spatula-Abzugskräfte reproduzieren kann. Das Modell wurde durch die Kombination eines Bottom-up-Top-down-Ansatzes und der Berücksichtigung des Spatula-Abziehens anstelle der vertikalen Abtrennung entwickelt. Es stellt das erste uns bekannte Modell dar, welches in der Lage ist, experimentelle Gecko Abzugskräfte präzise wiederzugeben.

Wir untersuchen auch die Rolle elektrostatischer Wechselwirkungen bei der Geckohaftung und finden heraus, dass sie für hydrophile Oberflächen relevant sind. Außerdem zeigen wir zum ersten Mal, dass intrakeratin-elektrostatische Wechselwirkungen während des Ablöseprozesses elastische Energie speichern, die erst nach der Abtrennung freigesetzt wird. Diese elastischen Beiträge sind unabhängig vom Wassergehalt und der Oberflächenhydrophilie und haben dieselbe Größenordnung wie van-der-Waals-Beiträge und sind auch bei der Haftung auf trockenen hydrophoben Oberflächen wichtig.

Insgesamt liefert diese Arbeit neue Erkenntnisse zu den molekularen Mechanismen der Geckohaftung und könnte dazu beitragen Gecko-inspirierte Klebstoffe zu Entwickeln, die unter einer Vielzahl von Feuchtigkeitsbedingungen effektiv funktionieren sollen. Unsere Studie betont die Bedeutung der Berücksichtigung von molekularen Wechselwirkungen und Mechanismen und der Rolle von Wasser bei der Haftung und legt neue Richtungen für zukünftige Forschungen in diesem Bereich nahe.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-232973
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Theoretische Chemie (am 07.02.2024 umbenannt in Quantenchemie)
Date Deposited: 11 May 2023 13:07
Last Modified: 15 May 2023 11:29
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/23297
PPN: 507737830
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