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Gastbeitrag / Peter Fratzl / Donnerstag 08.04.21

Mate­ri­al­wis­sen­schaft – von der Bio­mi­me­se zur Bioinspiration

Was macht natür­li­che Mate­ria­li­en so inter­es­sant für Werk­stoff­for­sche­rIn­nen? Auf der einen Sei­te sind es die nach­wach­sen­den Roh­stof­fe wie Holz oder Baum­wol­le, die als Bau­stof­fe oder Tex­ti­li­en wei­te Ver­brei­tung fin­den. Auf der ande­ren Sei­te ist es der Umstand, dass es der Natur gelingt, aus ver­gleichs­wei­se weni­gen und nicht immer sehr hoch­wer­ti­gen Grund­stof­fen Mate­ria­li­en mit einer unglaub­li­chen Viel­falt an Eigen­schaf­ten und Ein­satz­mög­lich­kei­ten her­vor­zu­brin­gen. Der Schlüs­sel für die­se Viel­falt liegt in der hier­ar­chi­schen Struk­tur die­ser Mate­ria­li­en: Mole­kü­le mit der Grö­ße von weni­gen Nano­me­tern sind zu Fasern und Schich­ten geformt, die etwa tau­send Mal grö­ßer sind und im Mikro­me­ter­be­reich lie­gen. Die­se Bau­stei­ne for­men noch grö­ße­re Ele­men­te bis hin zur Ska­la von Mil­li­me­tern und mehr. Die­se wie­der­hol­te Anord­nung von Bau­stei­nen bestehend aus klei­ne­ren Bau­stei­nen bie­tet die Mög­lich­keit einer Struk­tur­an­pas­sung auf vie­len Grö­ßen­s­ka­len und dadurch einer brei­ten Varia­ti­on der Eigen­schaf­ten. Abbil­dung 1 zeigt eine Aus­wahl an natür­li­chen Mate­ria­li­en, die im wesent­li­chen aus drei Grund­stof­fen bestehen: Zucker­ket­ten, Pro­te­in­ket­ten und Mineral.

Abbil­dung 1

Natür­li­che Mate­ria­li­en mit einer Viel­falt von Eigen­schaf­ten bestehen aus weni­gen Grund­stof­fen, die in viel­fäl­ti­ger Wei­se zu hier­ar­chi­schen Struk­tu­ren zusam­men­ge­setzt sind. Zeich­nun­gen von Julia Blu­men­thal, Kunst­hoch­schu­le Wei­ßen­see Ber­lin. (In ver­än­der­ter Form publi­ziert in Eder, Ami­ni & Fratzl, Sci­ence 2018; 362:543–547.)

Die durch den Autor gelei­te­te Abtei­lung (www​.mpikg​.mpg​.de/bm) an einem Pots­da­mer Max-Planck-Insti­tut wid­met sich der Erfor­schung der hier­ar­chi­schen Struk­tur natür­li­cher Mate­ria­li­en und deren Zusam­men­hang mit Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten. Das führt zu einem bes­se­ren Ver­ständ­nis von Orga­nen wie Kno­chen, Zäh­nen oder Seh­nen, weil Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten im Kon­text der Bio­lo­gie betrach­tet wer­den. Ein Bei­spiel ist die Adap­ti­ons­fä­hig­keit des Kno­chens, der ohne Belas­tung abge­baut wird und durch regel­mä­ßi­ges Trai­ning auch wie­der auf­ge­baut wer­den kann. Offen­sicht­lich gibt es also eine ganz enge Kopp­lung zwi­schen den mecha­ni­schen und den bio­lo­gi­schen Eigen­schaf­ten, wel­che ein bes­se­res Ver­ständ­nis nicht nur der Zell­funk­tio­nen son­dern auch der Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten erfordert.

Die­se For­schung lie­fert auch neu­ar­ti­ge Kon­zep­te für Mate­ria­li­en mit Anwen­dun­gen in der Tech­nik und der rege­ne­ra­ti­ven Medi­zin. Das Beson­de­re an die­sem Ansatz ist, dass nicht die che­mi­sche Zusam­men­set­zung son­dern die Struk­tur die Eigen­schaf­ten bestim­men. Die Natur ver­wen­det kei­nen Stahl und ist doch in der Lage, Bäu­me mit einer Höhe bis zu 120 Metern wach­sen zu las­sen. Die Natur ermög­licht eine effi­zi­en­te Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung und ver­wen­det aber kein Sili­zi­um oder ande­re Halb­lei­ter. Die Natur kennt auch prak­tisch kei­nen Abfall: Durch den Auf­bau aller rele­van­ten Sys­te­me aus den immer wie­der glei­chen Grund­stof­fen ist so gut wie alles wie­der­ver­wert­bar. Wei­ters pas­sen sich natür­li­che Mate­ria­li­en an die Anfor­de­run­gen an. Das Bei­spiel des Kno­chens in schon genannt. Viel ist hier noch zu erfor­schen, beson­ders unter dem stei­gen­den Druck, dass wir einen nach­hal­ti­ge­ren Umgang mit allen Res­sour­cen errei­chen müs­sen, wenn wir als Mensch­heit lang­fris­tig über­le­ben wollen.

Die ursprüng­li­che Idee der Bio­nik war die Bio­mi­me­se, bei der Struk­tu­ren direkt aus der Natur in tech­ni­sche Sys­te­me über­tra­gen wer­den. Papier besteht zwar aus Zel­lu­lo­se und man­che Tex­ti­li­en aus Wol­le oder Sei­de, die kom­plet­te Über­tra­gung von natür­li­chen Struk­tu­ren in ande­re Stoff­sys­te­me ist aller­dings nicht all­ge­mein mög­lich. Tat­säch­lich müs­sen die Struk­tur­kon­zep­te von natür­li­chen Mate­ria­li­en auf die ganz ande­ren Rand­be­din­gun­gen der Tech­nik ange­passt wer­den. Das Ver­ste­hen des natür­li­chen Mate­ri­al­prin­zips wird damit zur Inspi­ra­ti­on, zum Aus­lö­ser einer wei­ter­ge­hen­den For­schungs- und Ent­wick­lungs­tä­tig­keit, die sich vom ursprüng­li­chen Vor­bild löst und nur das Prin­zip tech­nisch zur Anwen­dung bringt.

Ein sehr inter­es­san­tes Bei­spiel dafür ist die Selbst­rei­ni­gung des Lotus­blatts durch einen über das Blatt lau­fen­den Was­ser­trop­fen, eines der bekann­tes­ten Bei­spie­le der Bio­nik (sie­he Abbil­dung 2). Im Jah­re 1997 konn­ten Wil­helm Barth­lott and Chris­toph Nein­huis nach­wei­sen, dass der Ursprung der extre­men Was­ser­ab­wei­sung (Super­hy­dro­pho­bie) des Lotus­blatts mit der Nano­struk­tur der Blatt­ober­flä­che zusam­men­hängt. Die Super­hy­dro­pho­bie war als Kurio­si­tät der Phy­sik schon seit den 1920er Jah­ren bekannt, wur­de aber von der Tech­nik kaum beach­tet. Es lohnt sich in dem Zusam­men­hang die Ent­wick­lung der Publi­ka­ti­ons­tä­tig­keit zu die­sem The­ma zu betrach­ten (Gra­phik Abbil­dung 2). Bis zur Jahr­tau­send­wen­de gab es nur weni­ge unab­hän­gi­ge Arbei­ten zum Lotus­blatt und zur Super­hy­dro­pho­bie. Etwa ab 2004 tau­chen bei­de Begrif­fe gemein­sam in Publi­ka­tio­nen auf. Das ist eine kla­res Zei­chen dafür, dass die Super­hy­dro­pho­bie als Fol­ge der Ent­de­ckung von Barth­lott und Nein­huis mit bio­ni­schen Absich­ten erforscht wur­de. Sehr bald lös­ten sich aber wei­te­re Ver­öf­fent­li­chun­gen vom bio­lo­gi­schen Vor­bild und began­nen den tech­ni­schen Nut­zen des Effekts an sich zu erfor­schen. Heu­te wird nur noch in einer Min­der­heit der Publi­ka­tio­nen zur Super­hy­dro­pho­bie auf das Lotus­blatt ver­wie­sen (Abb. 2).

Abbil­dung 2

Ent­wick­lung der jähr­li­chen Anzahl an Publi­ka­tio­nen über die Super­hy­dro­pho­bie und über das Lotus­blatt, bzw. über bei­des gemein­sam (Aus­wer­tung mit­hil­fe des Web of Sci­ence, Cla­ri­va­te Ana­ly­tics). Der super­hy­dro­pho­be Effekt war zwar schon seit 1921 grund­sätz­lich bekannt aber es wur­de erst 1997 ent­deckt, dass das Lotus­blatt die­sen Effekt zur Selbst­rei­ni­gung nutzt. Als Fol­ge davon nimmt ab der Jahr­tau­send­wen­de das tech­ni­sche Inter­es­se an die­sem Effekt stark zu. Das bio­lo­gi­sche Vor­bild gerät aller­dings zuneh­mend in den Hin­ter­grund und spielt heu­te im Groß­teil der Publi­ka­tio­nen kei­ne Rol­le mehr (grau­er Teil des Bal­kens). Das rech­te Bild zeigt ein Lotus­blatt mit einem abflie­ßen­den Trop­fen (Foto des Autors am West Lake, Hang­zhou, China).

Die Super­hy­dro­pho­bie ist ein gutes Bei­spiel dafür, wie bio­lo­gi­sche Inspi­ra­ti­on die tech­ni­sche Ent­wick­lung beein­flus­sen kann, ohne dass eine ech­te Mime­se statt­fin­den muss. Bio­lo­gisch inspi­rier­te Mate­ri­al­for­schung ist ein stark expan­die­ren­des Feld, das in vie­le Tech­no­lo­gie­be­rei­che aus­strahlt: so unter­schied­li­che The­men wie Leicht­bau, Robo­tik, Implan­ta­te, Ener­gie­trä­ger oder Haft­sys­te­me pro­fi­tie­ren von bio­lo­gi­schen Vor­bil­dern. Die Deut­sche Tech­ni­k­aka­de­mie hat kürz­lich unter der Feder­füh­rung des Autors eine umfang­rei­che Samm­lung von Bei­spie­len, Tex­ten und Inter­views her­aus­ge­ge­ben (https://​www​.aca​tech​.de/​p​u​b​l​i​k​a​t​i​o​n​/​m​a​t​e​r​i​a​l​f​o​r​s​c​h​u​n​g​-​i​m​p​u​l​s​g​e​b​e​r​-​n​a​t​ur/).

Eine wesent­li­che Vor­aus­set­zung für die For­schung in die­sem Bereich ist die Inter­dis­zi­pli­na­ri­tät des Ansat­zes. Die­se beschränkt sich nicht auf die offen­sicht­li­chen Dis­zi­pli­nen der Mate­ri­al­wis­sen­schaft und Bio­lo­gie. Die Nut­zung von kom­ple­xen hier­ar­chi­schen Struk­tu­ren und von adap­ti­ven lebens­ähn­li­chen Mate­ria­li­en im Kon­text einer nach­hal­ti­gen Ent­wick­lung mit all ihren gesell­schaft­li­chen Her­aus­for­de­run­gen pro­fi­tiert auch von der Zusam­men­ar­beit mit Design­dis­zi­pli­nen und den Geis­tes­wis­sen­schaf­ten. Der Autor arbei­tet an die­ser Her­aus­for­de­rung mit mehr als 40 Dis­zi­pli­nen im Rah­men eines Ber­li­ner Exzel­lenz­clus­ters (www​.mat​ters​-of​-acti​vi​ty​.de).

Eine nach­hal­ti­ge Mate­ri­al­ent­wick­lung mög­lichst ohne Abfall, mit sich selbst repa­rie­ren­den Struk­tu­ren, die sich an Umwelt­be­din­gun­gen anpas­sen: Für die­sen Zukunfts­traum kann am bes­ten die Natur als Impuls­ge­ber wir­ken. Eini­ges wird schon Rea­li­tät, aber die­se For­schung wird uns noch vie­le Jah­re beschäftigen.

Kurzportrait

Peter Fratzl ist Direk­tor am Max Planck Insti­tut für Kol­lo­id- und Grenz­flä­chen­for­schung. An sei­ner 2003 gegrün­de­ten Abtei­lung forscht er an bio­lo­gi­schen und bio­in­spi­rier­ten Mate­ria­li­en. Davor war er Pro­fes­sor an der Mon­tan­uni­ver­si­tät Leo­ben und Direk­tor des Erich Schmid Insti­tuts für Mate­ri­al­wis­sen­schaft der Öster­rei­chi­schen Aka­de­mie der Wis­sen­schaf­ten. Peter Fratzl ist Wie­ner, Diplom­in­ge­nieur der Eco­le Poly­tech­ni­que in Paris und er besitzt ein Dok­to­rat in Phy­sik der Uni­ver­si­tät Wien. Er ist Mit­glied der Öster­rei­chi­schen Aka­de­mie der Wis­sen­schaf­ten, sowie von jenen in Ber­lin und Mainz. Er ist auch Mit­glied der Deut­schen Aka­de­mie für Tech­nik­wis­sen­schaf­ten (aca­tech) sowie der US Natio­nal Aca­de­my of Engineering.

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