Anhangskraft

Wassertropfen auf Hibiscus-Blüte.

Wassertropfen im Spinnennetz.

Adhäsion (v. lat. adhaerere „anhaften“), auch Adhäsions- oder Anhangskraft genannt, ist der Zustand einer Grenzflächenschicht, die sich zwischen zwei in Kontakt tretenden kondensierten Phasen ausbildet – also zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten mit vernachlässigbaren Dampfdruck. Die Haupteigenschaft dieses Zustandes ist der durch molekulare Wechselwirkungen in der Grenzflächenschicht hervorgerufene mechanische Zusammenhalt der beteiligten Phasen. Die diesen mechanischen Zusammenhalt bewirkenden Kräfte sind nicht alle vollständig erforscht, weshalb es verschiedene Adhäsionstheorien gibt.

Adhäsionstheorien

Unterschieden wird allgemein zwischen mechanischer Adhäsion aufgrund physikalisch-mechanischer Kräfte und spezifischer Adhäsion aufgrund auf chemischer, physikalischer und thermodynamischer Grundlage beruhender Kräfte, die jeweils verschiedene Theorien zur Adhäsion beinhalten. Diese Theorien wurden alle einzeln entwickelt, nach heutigem Kenntnisstand bilden aber mechanische und spezifische Adhäsion eine Einheit.

Mechanische Adhäsion

Grundlage für die Theorie der mechanischen Adhäsion sind Verklammerungen eines Klebstoffes in die mikroskopisch kleinen Poren und Vertiefungen eines festen Körpers. Früher war dies der einzige Erklärungsversuch für die Adhäsion, diese Theorie begründet jedoch nicht den Zusammenhalt zwischen einem Festkörper mit glatter Oberfläche und Klebstoff.

Spezifische Adhäsion

Die verschiedenen Theorien der spezifischen Adhäsion wurden entwickelt, weil die Theorie der mechanischen Adhäsion nicht ausreichte, um den Zusammenhalt zwischen Feststoffen mit glatten Oberflächen zu erklären. Mit der Zeit sind verschiedene Theorien entwickelt worden, die die Adhäsion immer komplexer erklären. Die verschiedenen Theorien der spezifischen Adhäsion und die Theorie der mechanischen Adhäsion schließen sich aber nicht gegenseitig aus, sondern ergänzen sich gegenseitig.

Der Dipolcharakter der Moleküle ist laut der Polarisationstheorie Ursache für die Adhäsion. Eine Anwendung dieser Theorie auf unpolare Stoffe schließt sich daher aus. Entwickelt wurde die Theorie 1935 von De Bruyne.

Die elektrostatische Theorie (1950 Derjagin) geht von einer elektrischen Doppelschicht (eine mehrere Molekül- oder Atomschichten dicke Raumladungszone, hervorgerufen durch Ladungsverschiebungen) als Ursache für die Adhäsionskraft aus. Voraussetzung für diese Theorie sind vorhandene Ladungsträger wie Elektronen oder Ionen bei den beteiligten Stoffen.

Bei der Diffussionstheorie legte 1960 Voyutzkij die Brownschen Molekularbewegung (also die durch die Temperatur verursachte Eigenbewegung der Moleküle) zu Grunde, die dazu führt, dass die Teilchen der beiden beteiligten Stoffe ineinander diffundieren. Beide Stoffe müssen jedoch eine Affinität zueinander besitzen (die Atome oder Moleküle der beiden Stoffe müssen miteinander die Bildung chemischer Bindungen anstreben), was meist nur bei Kunststoffen zutrifft. Bei Metallen verhindert die Metallbindung eine Diffusion.

Veranschaulichung der Benetzung eines flüssigen Tropfens auf einer festen Oberfläche. Laut der Adsorptions- und Benetzungstheorie wirken im Fall A wenig oder keine, im Fall C (Spreitung S) sehr hohe Adhäsionskräfte an der Grenzfläche.

Grundlage für die Adsorptions- und Benetzungstheorie (1963 Zismann, Fowkes, Good und Wu) ist die Ober- und Grenzflächentheorie. Nach dieser thermodynamischen Betrachtung der Adhäsion benetzen Flüssigkeiten besonders gut auf festen Oberflächen, deren Teilchen sich an der Grenzfläche zur festen Phase in einem nur in geringem Maße ungünstigeren energetischen Zustand befinden als die Teilchen im Inneren der Flüssigkeit. Im Extremfall kommt es zur vollständigen Benetzung (auch Spreitung genannt) der Flüssigkeit auf der festen Oberfläche, das heißt: die Teilchen der Flüssigkeit haften alle auf der festen Oberfläche. Das passiert, wenn der energetische Zustand an der Phasengrenze günstiger ist als im Inneren der Flüssigkeit. Keine Benetzung - der andere Extremfall - tritt ein, wenn der energetische Zustand für die Teilchen im Inneren der Flüssigkeit so günstig ist, dass die Flüssigkeit eine Kugel bildet und so nur eine minimale Kontaktfläche mit dem Feststoff zulässt. Unter der Berücksichtigung von der Struktur der Grenzflächenschicht (Rauigkeit und Fremdstoffpartikel), der Temperatur und anderer Faktoren neben der thermodynamischen Betrachtung lassen sich so Rückschlüsse auf die Adhäsion ziehen.

Vorkommen

Adhäsion bei Verkehrsmitteln

Unter Adhäsion versteht man im Straßenverkehr die Straßenhaftung (eng. Grip) – Gummi (Reifen) auf Untergrund (Straße) – bzw. im Schienenverkehr die Schienenhaftung – Eisen (Bahnräder) auf Eisen (Schiene). Von einer Adhäsionsbahn spricht man, wenn eine Bahn ohne Hilfsmittel (z. B. Zahnrad oder Seil) starke Steigungen bewältigen kann und ausschließlich die Haftung der Räder für die Fortbewegung genügt.

Adhäsion bei Klebstoffen

Adhäsion umfasst die Haftkräfte an den Kontaktflächen zweier unterschiedlicher oder gleicher Stoffe durch Molekularkräfte. Die Stoffe können sich in festem oder in flüssigem Zustand befinden. Im Bereich der Klebstoffe versteht man unter Adhäsion die Haftung von Klebschichten an den Fügeteiloberflächen. Die Vorgänge bei der Adhäsion sind noch nicht vollständig aufgeklärt. Sie gestalten sich besonders schwierig, weil die Abhängigkeiten zwischen den Klebstoffsystemen und den verschiedenen Fügeteiloberflächen sehr komplex sind.

Adhäsion bei Folien

Adhäsionsfolien haften ohne Klebstoff auf glatten/glänzenden Oberflächen mittels der Anziehungskraft der Moleküle zwischen beiden Materialien. Voraussetzung ist, dass sich die Moleküle so nahe wie möglich kommen, um eine Adhäsion zu erreichen. Deshalb funktioniert dies nur auf glatten Oberflächen, beispielsweise als Schutzfolien auf Displays oder Tönungsfolien auf Glas von Kraftfahrzeugen.

Adhäsion bei organischen Geweben

• chirurgisch: Verwachsungen oder Verklebungen von Organen (siehe Verwachsungsbauch)
• hämatologisch: Anhaftung von Blutzellen (z. B. Thrombozyten, Leukozyten) sowohl an Gefäßinnenwänden (z. B. im Rahmen einer Entzündungsreaktion), als auch gefäßinnenwandfremden (endothelfremden) Oberflächen bzw. Geweben
• bakteriologisch: Anhaftung von Bakterien an Schleimhautoberflächen am Beginn einer Infektion
• Zelladhäsion: Anhaftung von Gewebezellen an Proteine der extrazellulären Matrix über fokale Adhäsionsstellen und Hemidesmosomen
• zahnmedizinisch: Verklebung einer Prothese an der Schleimhaut.

Siehe auch

• Kohäsion
• Kapillarität

Literatur

• Claus Bischof, Wulff Possart: Adhäsion – Theoretische und experimentelle Grundlagen. Akademie-Verlag, Berlin 1983
• Popov, Valentin L.: Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer-Verlag, 2009, 328 S., ISBN 978-3-540-88836-9.

Weblinks

• Benetzung, Adhäsion, Kohäsion

Elektroadhäsion

• Informationen zu Robotern mit elektroadhäsiven Eigenschaften