Geckos är kända för att ha greppiga fötter som låter dem skala vertikala ytor med lätthet. De får denna till synes superkraft från miljontals mikroskopiska, hårliknande strukturer på tårna.

Nu har forskare zoomat in för en ännu närmare titt på dessa strukturer, kallade setae, och funnit att de är belagda i en ultratunn film av vattenavvisande lipidmolekyler som bara är en nanometer, eller miljarddels meter, tjocka.

Forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) analyserade ytan på setae med hjälp av högenergiröntgenstrålar som kastades av en typ av partikelaccelerator som kallas synkrotron. Synkrotronmikroskopet visade att lipidmolekylerna kantar ytan av setae i täta, ordnade arrayer.

Lipider kan spela en roll i denna process eftersom de är hydrofoba, vilket innebär att de stöter bort vatten. "Lipiderna kan fungera för att trycka bort allt vatten under spatlarna, vilket gör att de kan få närmare kontakt med ytan", säger fysikern och medförfattaren Tobias Weidner från Aarhus Universitet i Danmark. "Detta skulle hjälpa geckos att behålla sitt grepp på våta ytor."

Setae och spatel är gjorda av en typ av keratinprotein som liknar det som finns i människohår och fingernaglar. De är extremt känsliga. Forskarna visade att keratinfibrerna är inriktade i riktning mot setae, vilket kan hjälpa dem att motstå nötning.

"Det mest spännande för mig med det här biologiska systemet är att allt är perfekt optimerat i varje skala, från makro till mikro till molekylär", säger biologen och medförfattaren Stanislav Gorb vid Kiel University i Tyskland. "Detta kan hjälpa biomimetiska ingenjörer att veta vad de ska göra härnäst."

"Du kan föreställa dig geckostövlar som inte glider på våta ytor, eller geckohandskar för att hålla verktyg som är våta", säger NIST-fysikern och medförfattaren Dan Fischer. "Eller ett fordon som kan köra uppför väggar, eller en robot som kan köra längs kraftledningar och inspektera dem."

NIST-synkrotronmikroskopet som forskarna använde för att analysera setae är unikt i sin förmåga att identifiera molekyler på ytan av ett tredimensionellt objekt, mäta deras orientering och kartlägga deras position. Den ligger vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, där National Synchrotron Light Source II, en halv mil lång partikelaccelerator, tillhandahåller en källa till högenergiröntgenstrålar för belysning.

Detta mikroskop används vanligtvis för att förstå fysiken hos avancerade industriella material, inklusive batterier, halvledare, solpaneler och medicinsk utrustning.

"Men det är fascinerande att ta reda på hur geckofötter fungerar," sa Fischer, "och vi kan lära oss mycket av naturen när det gäller att förbättra vår egen teknik."

An international team of researchers published the findings in Biology Letters . An earlier companion paper, published in Physical Chemistry Letters , used the same technique to show how the individual protein strands that make up the setae are aligned.

"A lot was already known about how setae work mechanically," said NIST physicist and co-author Cherno Jaye. "Now we have a better understanding of how they work in terms of their molecular structure."

Geckos have inspired many products, including adhesive tapes with setae-like microstructures. Understanding the molecular features of setae might lead inventors who find inspiration in nature—a concept called biomimicry—to come up with even better designs.

Setae provide sticking power because they are flexible and assume the microscopic contours of whatever surface the gecko is climbing. Even smaller structures at the ends of the setae, called spatulae, make such close contact with the climbing surface that electrons in both materials interact, creating a type of attraction called van der Waals forces. To release its foot, which might otherwise stay stuck, the gecko changes the angle of the setae, interrupting those forces and allowing the animal to take its next step. + Utforska vidare

Gecko study offers evidence that small morphological changes can lead to large changes in function