10 Dezember 2019

Entwirrung der Geheimnisse um Raupen- und Spinnenseiden

Forscherteam konnte nachweisen, dass Seidenfasern aufgrund ihrer Nanofibrillen ein besseres Kälteverhalten aufweisen als andere Biopolymere

Eine Wissenschaftlergruppe hat herausgefunden, dass Seide kalten Temperaturen, wie sie nur im Weltraum erreicht werden, standhalten kann. Anhand dieser Erkenntnisse könnten neue Werkstoffe für Anwendungsbereiche mit niedrigen Temperaturen und hohen Belastungen entwickelt werden.

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© ermess, Shutterstock

Roboterspinnen, die riesige Spinnennetze spinnen, um Weltraummüll einzufangen? Was für die einen nach dem Stoff für einen Science-Fiction-Film klingt, beflügelt die Fantasie anderer. Dank ihrer außerordentlichen Festigkeit, Belastbarkeit und thermischen Stabilität hat Seide in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt und dazu inspiriert, synthetische Pendants herzustellen, bei der die biologische Struktur und Funktion der Seide nachgeahmt werden.

Ein Forscherteam, das teilweise im Rahmen der EU-finanzierten Projekte FLIPT (FLow Induced Phase Transitions, A new low energy paradigm for polymer processing) und SABIP (Silks as Biomimetic Ideals for Polymers) unterstützt wurde, konnte zeigen, dass natürliche Seiden Kälte standhalten können, während manche Seidenarten mit zunehmender Kälte sogar stärker werden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Materials Chemistry Frontiers“ veröffentlicht. Das Team untersuchte „das Verhalten und die Funktionsweise mehrerer tierischer Seidenarten, indem es sich auf die multifibrillären Fasern der Seidenraupe des Antheraea pernyi konzentrierte, die auf eine Temperatur von -196 °C heruntergekühlt waren.“

Die Ergebnisse sind in einer Pressemitteilung der Universität Oxford zusammengefasst, die Partnerin im Projekt ist. Dort heißt es, dass „das Team nicht nur zeigen konnte, ‚dass‘, sondern auch ‚wie‘ Seide ihre Belastbarkeit unter Bedingungen erhöht, unter denen die meisten Werkstoffe äußerst brüchig würden.“ Weiter heißt es: „Tatsächlich scheint Seide dem Grundverständnis der Polymerwissenschaft dadurch zu widersprechen, dass sie unter sehr kalten Bedingungen nicht an Qualität einbüßt, sondern gewinnt, indem sie sowohl stabiler als auch dehnbarer wird.“ Das Team fand heraus, dass die Belastbarkeit der Seide auf ihren winzigen Fasern beruht. „Es hat sich gezeigt, dass die zugrundeliegenden Vorgänge auf den vielen nanogroßen Fibrillen aufbauen, die den Kern einer Seidenfaser bilden“, heißt es in derselben Pressemitteilung.

In der Fachzeitschrift erklären die Forscherinnen und Forscher: „Wir gehen davon aus, dass die hoch orientierte und gleichzeitig relativ unabhängige nanofibrilläre Struktur es ermöglicht, dass die teilweise gefrorene Molekülkette bei kryogenen Temperaturen aktiviert wird und dadurch die Rissabstumpfung ausgelöst, das Abgleiten von Fibrillen ermöglicht und die effektive Entfaltung von Molekülketten aus Seidenfibroin erleichtert wird und so Sprödbruch der ganzen Faser verhindert oder verzögert wird.“

Sie schließen: „Wir können uns vorstellen, dass unsere Studie zur Entwicklung und Herstellung neuer Arten von belastbaren Struktur-Verbundwerkstoffen unter der Verwendung natürlicher Seide oder von durch Seide inspirierten Filamenten führt, deren Anwendung sogar unter arktischen oder tatsächlich unter Weltraumbedingungen getestet werden kann.“ Die Pressemitteilung legt nahe, dass von den Ergebnissen der Studie eine Vielzahl von Anwendungsgebieten profitieren könnten. Dabei denkt das Team etwa an: „neue Werkstoffe für den Einsatz in den Polargebieten der Erde, neuartige Verbundwerkstoffe für leichte Flugzeuge und Drachen, die in der Strato- und Mesosphäre fliegen, sowie möglicherweise riesige, von Roboterspinnen gesponnene Netze, die im All Weltraummüll einfangen.“

Inspiration von der Natur

Die beiden Projekte, aus denen Finanzmittel in diese Studie flossen, ließen sich von der Natur inspirieren und konzentrierten sich auf natürliche Spinnen- und Raupenseiden, um Erkenntnisse über die Biopolymer-Technologie zu erlangen. Biopolymere sind von lebenden Organismen produzierte Polymere. Sie können aus mikrobiellen Systemen erzeugt, aus Pflanzen gewonnen oder aus grundlegenden biologischen Systemen chemisch synthetisiert werden. Als Polymere werden natürlich vorkommende oder synthetische Verbindungen bezeichnet, die aus großen Molekülen bestehen, die auf verbundenen Serien kleiner Grundeinheiten aufgebaut sind. Biopolymere werden in medizinischen Materialien, Verpackungen, Kosmetik, Lebensmittelzusatzstoffen, Stoffen für Kleidung, Chemikalien zur Wasseraufbereitung, industriellen Kunststoffen, Absorptionsmitteln, Biosensoren und sogar Datenspeichern verwendet. Das Projekt SABIP lief im Zeitraum von 2009 bis 2014, während FLIPT planmäßig 2019 enden soll. FLIPT wurde gestartet, um eine neue Palette biologisch inspirierter Polymere zu erzeugen, die mit minimalem Energieeinsatz verarbeitet werden können.

Source: CORDIS news, Pressemitteilung, 2019-11-13.

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