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Mehr zum Thema / Jochen Stadler / Donnerstag 08.04.21

Die Natur als Werkstoff-Ingenieur

So gewieft und krea­tiv die mensch­li­chen Inge­nieu­re auch sind, wenn sie Mate­ria­li­en und Gerät­schaf­ten kon­stru­ie­ren – von der Natur kön­nen sie noch vie­les ler­nen. For­scher stu­die­ren des­halb die Natur bis ins kleins­te Detail und ana­ly­sie­ren, wie ihre Mole­kü­le und Struk­tu­ren diver­se Auf­ga­ben mit größt­mög­li­cher Effek­ti­vi­tät bewerk­stel­li­gen. Sie legen damit die Grund­la­gen für neue Werk­stof­fe und Kon­struk­te, die halt­ba­rer, fes­ter, res­sour­cen­scho­nen­der und umwelt­freund­li­cher sind, als die bisherigen.
Lich­ten­eg­ger

Die Natur hat gegen­über den mensch­li­chen Kon­struk­teu­ren zwei ent­schei­den­de Vor­tei­le: Ers­tens hat­te sie viel mehr Zeit, um Erfah­rung zu sam­meln und ihre Erfin­dun­gen bis ins Detail zu opti­mie­ren. Was auch immer Leben­di­ges heut­zu­ta­ge auf der Erde steht oder kreucht und fleucht ist das Ergeb­nis einer min­des­tens drei­ein­halb Mil­li­ar­den Jah­re lan­gen Evo­lu­ti­on. Die moder­nen „wei­sen“ Men­schen (Homo sapi­ens) wan­deln indes erst seit drei­hun­dert­tau­send Jähr­chen auf dem Pla­ne­ten, und die meis­ten mensch­li­chen Kon­struk­te und Erfin­dun­gen sind gar erst ein paar Jah­re, Jahr­zehn­te oder maxi­mal Jahr­tau­sen­de alt, auch wenn bereits ihre Vor­fah­ren, die „Aus­tra­lo­pi­the­ci­nen“ wie „Lucy“ vor 3,4 Mil­lio­nen Jah­ren schon Werk­zeu­ge benutz­ten, wie Fun­de in Afri­ka zeigen.

Zwei­tens kann die Natur die Din­ge immer aus­ge­hend von den win­zi­gen Details ändern, weil alles klein ent­steht und dann wächst. „Dadurch erge­ben sich ganz ande­re Mög­lich­kei­ten, als wir in der Tech­nik ken­nen, weil Ände­run­gen von Struk­tu­ren auf ganz klei­ner Ebe­ne die mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten des gan­zen Kon­strukts mas­siv beein­flus­sen kön­nen“, erklärt Hel­ga Lich­ten­eg­ger vom Insti­tut für Phy­sik und Mate­ri­al­wis­sen­schaft der Uni­ver­si­tät für Boden­kul­tur (Boku) Wien gegen­über APA-Science.

Reak­ti­ons­holz und Kno­chen als Vor­la­gen für bes­se­re Faserverbundwerkstoffe

„Bäu­me wer­den oft sehr groß, haben aber eine klei­ne Stell­schrau­be, um ihre Struk­tur zu opti­mie­ren“, sagt Lich­ten­eg­ger: Die Wän­de der Zel­len ihrer Stäm­me bestehen aus ganz dün­nen Fasern, den Zel­lu­lo­se­fa­sern. Je nach­dem, in wel­chem Win­kel sie zur Längs­ach­se aus­ge­rich­tet sind, kön­nen die Bäu­me damit Fes­tig­keit in unter­schied­li­che Rich­tun­gen erzie­len. Wenn ein Baum an einem Hang wächst, kommt er zunächst ein­mal schräg aus dem Erd­bo­den her­aus. Das ist sehr ungüns­tig, weil die Schwer­kraft ihn schräg nach unten zieht und irgend­wann ein­mal, wenn er groß genug ist, aus­he­beln und umwer­fen wür­de. Des­halb baut solch ein Baum an der Unter­sei­te Gewe­be ein, das man Reak­ti­ons­holz nennt. „Es hat eine ganz spe­zi­el­le Aus­rich­tung der klei­nen Zel­lu­lo­se­fa­sern, und dadurch kann der Baum eine Kraft aus­üben, die das Gewicht des gan­zen Bau­mes hält und teils sogar nach oben drückt“, berich­tet die Exper­tin: „Ich fin­de das ein beein­dru­cken­des Bei­spiel dafür, dass Ände­run­gen im Klei­nen ganz gro­ße Aus­wir­kun­gen haben.“

 

Tau­send­sas­sa Holz

Ori­en­tie­rung von Nano­fa­sern im Ast: Nor­mal­holz (NW) und Reak­ti­ons­holz (CW)

Im Ver­gleich zu Stamm­holz, das sprö­de bricht, wer­den im Reaktionsholz … 

… zuerst Zel­lu­lo­se­fa­sern her­aus­ge­zo­gen, und erst dann reißt das Mate­ri­al. Dadurch wird es zäh.

Inne­re Struk­tur von Reaktionsholz

Auch in Kno­chen gibt es klei­ne Fasern, näm­lich die Kol­la­gen­fa­sern. Sie sind mine­ra­li­siert, damit sie höhe­re Druck­fes­tig­keit erzie­len. Außer­dem rich­ten sie sich je nach Belas­tung unter­schied­lich aus. „Zum Bei­spiel beim Ober­schen­kel­kno­chen sind sie größ­ten­teils ent­lang der Längs­ach­se ange­ord­net“, so Lich­ten­eg­ger: „Wenn sich aber die Kraft­ver­läu­fe ändern, etwa durch den Ein­bau eines Implan­tats, kann sich der Kno­chen anpas­sen und ändert die Rich­tung die­ser Fasern.“ Solch ein Kno­chen ist also nicht nur ein im Detail opti­mier­tes Mate­ri­al, son­dern er kann sich auch wie­der­um auf kleins­ter Ebe­ne anpas­sen, um sei­ne Eigen­schaf­ten bei Bedarf zu verändern.

Trick­rei­che Knochen

Der Kno­chen reagiert auf geän­der­te loka­le Belas­tung durch ein Implan­tat mit einer Umori­en­tie­rung der Fasern.

So etwas funk­tio­niert frei­lich nur in leben­den Sys­te­men per­fekt. „Wir kön­nen natür­lich in der Tech­nik nichts wach­sen oder anpas­sen las­sen, zumin­dest noch nicht“, sagt die For­sche­rin: „Wir kön­nen aber schon jetzt mit sehr vie­len klei­nen Fasern, also Nano­fa­sern arbei­ten, und die­se auch gezielt ori­en­tie­ren. Bis­lang wer­den Nano-Ver­bund­stof­fe meist noch so her­ge­stellt: Man hat eine Matrix, übli­cher­wei­se ein flüs­si­ges Poly­mer, mischt Nan­o­füll­stof­fe hin­ein, rührt um, lässt die Mischung aus­här­ten und das Mate­ri­al ist fer­tig.“ Die­ser Ansatz schöpft das Poten­zi­al der Nano­ver­stär­kung aber bei wei­tem nicht aus. Mit ihren Kol­le­gen ver­sucht sie nun die Natur nach­zu­ah­men, und eine geziel­te Ori­en­tie­rung in die Nano­fa­sern sol­cher Ver­bund­stof­fe zu brin­gen: Zum Bei­spiel durch Scher­kräf­te, indem sie das Mate­ri­al durch Düsen mit win­zi­gen Öff­nun­gen pres­sen, oder indem sie die Fasern mit elek­tri­schen Fel­dern aus­rich­ten. Das Gan­ze kom­bi­nie­ren die Boku-For­scher mit her­kömm­li­chen Ansät­zen wie Lami­nat-Tech­nik und 3D-Druck. „Wir ver­su­chen auf jeder Grö­ßen­ebe­ne Rich­tung in das Mate­ri­al zu brin­gen, um in ein­fa­cher Form die Aspek­te der Natur nach­zu­ah­men“, erklärt Lichtenegger.

Die For­scher ver­su­chen sich der­zeit an Koh­le­fa­ser-Ver­bund­stof­fen. „Das ist frei­lich kein natür­li­cher Stoff, aber die Ideen des Auf­baus sind aus der Natur ent­lehnt“, so die For­sche­rin. Sie bau­en dar­in zusätz­li­che Quer­ver­stär­kun­gen aus Koh­len­stoff-Fasern ein. „Das kann man in der Luft­fahrt ein­set­zen, im Auto­mo­ti­ve-Bereich, und im Sport, wo man jetzt schon über­all Koh­le­fa­ser-Ver­bund­stof­fe ver­wen­det.“ Die her­kömm­li­chen sol­chen Mate­ria­li­en haben näm­lich mas­si­ve Schwach­stel­len: Sie bestehen aus Koh­le­fa­ser-Lagen, die nur mit Poly­mer zusam­men­ge­leimt sind. „Wenn man sie zum Bei­spiel einer Bie­ge­be­las­tung aus­setzt, geht die Ver­bin­dung zwi­schen den Lagen auf“, erklärt sie. Eine Ver­stär­kung in der rich­ti­gen Rich­tung, so wie die Natur es machen wür­de, kann das Mate­ri­al mas­siv ver­bes­sern. „Dann wird es leich­ter, siche­rer in der Anwen­dung und man kann es klei­ner und dün­ner machen, ohne dass der Bau­teil schwä­cher wird“, sag­te Lich­ten­eg­ger: „Die­ses Prin­zip kann man auf ver­schie­dens­te Faser­ver­bund­ma­te­ria­li­en anwenden.“

Ver­bund­stof­fe unter der Lupe

In Koh­le­fa­ser-Ver­bund­stof­fen sind Quer­ver­stär­kun­gen aus Koh­len­stoff-Fasern eingebaut.

Hier stark ver­grö­ßert unter dem Mikroskop.

Bio-Tef­lon

Vom „Sand­fisch“ hat sich Wer­ner Baum­gart­ner, Lei­ter des Insti­tuts für Medi­zin- und Bio­me­cha­tro­nik der Uni­ver­si­tät Linz, eine ziem­lich per­fek­te Ober­flä­chen­be­schich­tung abge­schaut. Die­ses Tier lebt trotz sei­nes Namens nicht im Was­ser, son­dern im Wüs­ten­sand. Es zählt bio­lo­gisch auch nicht zu den Fischen, son­dern ist eine Eidech­se. Sie wird Sand­fisch genannt, weil sie sich mit Schwimm­be­we­gun­gen im Sand fort­be­wegt. Das kann sie nur, weil sie extrem abrieb­fes­te Schup­pen hat, deren Ober­flä­che eine sehr gerin­ge Rei­bung hat.

 

„Wir haben die Rei­bung, Elas­ti­zi­tät und Här­te der Schup­pen gemes­sen, sie im Licht- und Elek­tro­nen­mi­kro­skop inspi­ziert und che­misch ana­ly­siert“, berich­tet der For­scher. Sie bestehen wie Säu­ge­tier­haa­re und Vogel­fe­dern haupt­säch­lich aus Kera­ti­nen, sind aber zusätz­lich mit einer kom­plex auf­ge­bau­ten Zucker­schicht umhüllt. „Im Gegen­satz zum Lotus­ef­fekt ist es also eine Mate­ri­al­ei­gen­schaft, und nicht wegen der Ober­flä­chen­struk­tur“, sagt er. Mit Kol­le­gen hat er damit Kunst­stof­fe und Auto­lack beschich­tet und gezeigt, dass der Zucker­guss ihnen eben­so wie den Sand­fisch-Schup­pen eine extrem gerin­ge Rei­bung und gro­ße Abrieb­fes­tig­keit beschert. „Die Rei­bung von Tef­lon ist deut­lich höher, die Sand­fisch-Ober­flä­che schlägt sie also deut­lich“, meint er. Damit könn­te man kratz­fes­te, nicht ver­schmut­zen­de Auto­la­cke her­stel­len, oder Solar­pa­nee­le beschich­ten. „Sie ste­hen oft in san­di­gen, stau­bi­gen Gebie­ten und wenn dort öfter Sand­stür­me wehen, hat man bald Milch­glas­schei­ben statt Solar­pa­nee­le“, so Baum­gart­ner. Mit dem Sand­fisch-Zucker­guss könn­te man nicht nur die Ober­flä­che schüt­zen, son­dern auf den schräg gestell­ten Panee­len wür­de dann auch Sand, Staub und Schnee gut abrutschen.

Kanus mit Flossentechnik

Baum­gart­ners ehe­ma­li­ge Mit­ar­bei­te­rin Anna The­re­sia Stad­ler hat Fische als Vor­bild für neu­ar­ti­ge Kanus ent­deckt. Bei jedem Pad­del­schlag auf einer Sei­te dreht man den Bug des Boo­tes unge­wollt in die ande­re Rich­tung, was das Vor­wärts­kom­men natür­lich stört. Bei Fisch­flos­sen hat man den soge­nann­ten Flos­sen­strahl-Effekt (Fin-Ray-Effect©) beoba­chet: Drückt eine Kraft auf die Flos­se, knickt sie nicht auf die ande­re Sei­te weg, son­dern win­det sich in Rich­tung der Druck­kraft. Stad­ler hat ein Modell eines Kanu-Bugs gebaut, das aus fle­xi­blen Ther­mo­plas­tik-Elas­to­me­ren besteht und Quer­ver­bin­dun­gen ana­log zu den Flos­sen­strah­len der Fische besitzt. In einem Expe­ri­ment im Was­ser­ka­nal bewähr­te sich die Kon­struk­ti­on: Wäh­rend ein stei­fer Bug sich weg­dreh­te und die Bewe­gung in die fal­sche Rich­tung ver­stärk­te, wirk­te der fle­xi­ble Bug der Kraft ent­ge­gen und rich­te­te sich wie­der nach vor­ne aus, berich­ten die For­scher im Fach­ma­ga­zin „Bio­mime­tics“. Damit könn­te man Kanus kon­stru­ie­ren, die Pad­del­schlä­ge effi­zi­en­ter in Vor­wärts­be­we­gun­gen umsetzen.

Kanal-Laby­rin­the

Auf ihren Schup­pen haben die texa­ni­schen und ara­bi­schen Krö­ten­ech­sen, sowie der aus­tra­li­sche Dorn­teu­fel einen ande­ren Trick, den Baum­gart­ner kopiert: Sie kön­nen auf ihrer Kör­per­ober­flä­che Feuch­tig­keit „ern­ten“. „Das ist für die­se Tie­re über­le­bens­wich­tig, denn sie leben in tro­cke­nen Welt­re­gio­nen, wo sie Was­ser effi­zi­ent auf­neh­men müs­sen und ja kei­nen Trop­fen ver­lie­ren möch­ten“, sagt er. Ihre Schup­pen zie­hen Was­ser stark an, und wenn ein Trop­fen auf die­se hydro­phi­le Ober­flä­che fällt, spritzt er nicht in alle Rich­tun­gen, son­dern ver­teilt sich dar­auf. „Dafür sind haar­fei­ne Kanä­le zwi­schen den Schup­pen ver­ant­wort­lich, die das Was­ser auch sofort in Rich­tung Maul trans­por­tie­ren“, so der For­scher: „Wir haben die­se Kanal­form ent­schlüs­selt und Pro­to­ty­pen aus Kunst­stoff gebaut, bei denen die Flüs­sig­kei­ten nun auch auf­ge­nom­men wer­den und in eine gewünsch­te Rich­tung lau­fen.“ Damit kön­ne man win­zi­ge Ana­ly­se­ge­rä­te bau­en oder sie in Win­deln oder Wund­ver­bän­den ver­wen­den, um Feuch­tig­keit vom Kör­per weg zu transportieren.

Saug­näp­fe für Poröses

 

Tie­re kön­nen mit Haft­or­ga­nen auf senk­rech­ten und sogar über­hän­gen­den Wän­den und Pflan­zen­tei­len her­um­klet­tern – dazu haben sie ver­schie­dens­te Haft­or­ga­ne an den Bein­chen: Bei Geckos, Flie­gen und Spin­nen sind sie „haa­rig“, bei Amei­sen, Stab­heu­schre­cken und Käfern „flä­chig“, berich­tet Baum­gart­ner: „Ihre Ober­flä­che ist eine glat­te Mem­bran, aber dar­un­ter haben sie einen inter­es­san­ten Auf­bau aus mit­ein­an­der ver­netz­ten Fasern und schwamm­ar­ti­gen Struk­tu­ren.“ Mit sei­nem Team hat er die­se flä­chi­gen Haft­or­ga­ne in Form von „Haft­pads“ nach­ge­ahmt. „Wir schaf­fen damit nicht ganz die Haft­kräf­te der haa­ri­gen Orga­ne, sind aber ganz nahe an der Haft­fä­hig­keit der Stab­heu­schre­cke“, so der For­scher. Glat­te Orga­ne hät­ten gegen­über haa­ri­gen aber eini­ge ande­re Vor­tei­le: Man kann sie leich­ter her­stel­len, bes­ser säu­bern und sie ver­schlei­ßen nicht so schnell. „Sol­che Haft­pads kann man anstatt von Saug­näp­fen bei Maschi­nen ver­wen­den, um Din­ge hoch­zu­he­ben“, erklärt er. Sie las­sen sich schnell und rück­stands­frei lösen und hal­ten auch porö­se Mate­ria­li­en wie gro­be Span­plat­ten, Sty­ro­por und Poren­be­ton. Dort wür­den Saug­glo­cken oft ein­fach durch­sau­gen und teils die dar­un­ter lie­gen­den Gegen­stän­de mitheben.

Bio-Super­kle­ber

Ein nord­ame­ri­ka­ni­scher Lurch hat eine beson­de­re Tak­tik ent­wi­ckelt, um nicht im Maul von grö­ße­ren Tie­ren zu lan­den: Der Mar­mor-Quer­zahn­molch pickt es ihnen ein­fach zu. Dazu son­dern sei­ne Haut­drü­sen eine Art Sekun­den­kle­ber aus, erklärt der Bio­lo­ge Janek von Byern vom Depart­ment für Evo­lu­ti­ons­bio­lo­gie der Uni­ver­si­tät Wien. Er will die­sen Bio-Super­kle­ber nach­bau­en. „Der Kleb­stoff wäre zum Bei­spiel für medi­zi­ni­sche Zwe­cke prak­tisch“, meint er. Denn er hält sehr gut auf tro­cke­ner Haut, und man könn­te damit zum Bei­spiel ober­fläch­li­che Wun­den ver­schlie­ßen. „In die­sem Bereich gibt es in der Medi­zin zur Zeit vor allem nur gif­ti­ge Kleb­stof­fe auf Cya­noacry­lat­ba­sis“, so der For­scher. Der Sala­man­der-Kle­ber wäre hin­ge­gen voll­kom­men unbe­denk­lich. „Lei­der wis­sen wir zur Zeit aber nur sehr grob, wor­aus er besteht“, sagt von Byern. Und zwar aus Eiweiß- und Zucker­stof­fen, die eine gro­ße Men­ge Was­ser abge­ben, wenn sie aus den Haut­drü­sen des Mol­ches aus­ge­schie­den wer­den. Dadurch här­tet der Bio-Kle­ber blitz­schnell aus. „Wenn wir die ent­schei­den­den Kle­be-Mole­kü­le gefun­den haben, kön­nen wir ihn viel­leicht nach­bau­en und zum Bei­spiel in Hefe­zel­len in gro­ßem Maß­stab nach­pro­du­zie­ren, dann wird der Sala­man­der­kleb­stoff ren­ta­bel“, so der Biologe.

Kleb­ri­ge Molche

Der Mar­mor-Quer­zahn­molch pickt Fress­fein­den das Maul ein­fach zu

Bio­lo­ge Janek von Byern will die­sen Bio-Super­kle­ber nachbauen

Der Bio-Kle­ber här­tet blitz­schnell aus

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