Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Kreuzspinne in der Mitte ihres Netzes
Abbildung: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik
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Verbesserte Spinnenfäden: Mehr Sicherheit für Spiderman

Neue Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von biologischen Fasern

Nummer 099/2009 vom 24. April 2009
Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle ist es gelungen, die mechanischen Eigenschaften der natürlichen Spinnenseide wesentlich zu verbessern. Das geschah in enger Zusammenarbeit mit der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM Halle. Den Spinnenfäden wurden hierfür mit einer speziellen Infiltrationsmethode Metalle zugesetzt, die die innere Struktur der Fasern derart verändert, dass sowohl die Zugfestigkeit, als auch die Dehnbarkeit der Fasern deutlich erhöht werden (Science 324, 488 (2009)).

Seit der Antike ist Spinnenseide für ihre exzellenten mechanischen Eigenschaften bekannt. Legenden behaupten, Dschingis Khan hätte in die Kleidung seiner Soldaten Spinnenseide für einen besseren Schutz im direkten Kampf einweben lassen. Die Comic-Figur „Spiderman" verlässt sich ebenfalls bei seinen Sprüngen von Hochhaus zu Hochhaus auf die hervorragende Festigkeit der von ihm benutzen Spinnenfäden. Tatsache ist, dass die Spinnenseide den meisten künstlichen Fasern in ihren mechanischen Eigenschaften weit überlegen ist und sehr hohe Festigkeiten aufweist. Sie ist damit von großem Interesse für verschiedene Bereiche der Industrie, z. B. den Automobilbau, aber auch für die Raumfahrt und den Einsatz im Weltraum.

Anstatt zu versuchen, künstliche Fasern mit besseren mechanischen Eigenschaften zu erzeugen, sind Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle einen neuen Weg zur Erreichung dieses Ziels gegangen, der seinen Ausgangspunkt bei natürlichen Fasern hat. Es ist ihnen gelungen, die mechanischen Eigenschaften von Spinnenseide noch einmal wesentlich zu verbessern. Den Fäden wurden hierfür mit einer speziellen Infiltrationsmethode Metalle zugesetzt, die die innere Struktur der Fasern derart verändert, dass sowohl die Zugfestigkeit, als auch die Dehnbarkeit der Fasern deutlich erhöht werden. Der eigentliche Prozess (engl.: "Multiple Pulsed vapor phase Infiltration" - MPI), kurz MPI-Prozess genannt, basiert auf einer etablierten Dünnschicht-Abscheidungs-Technik (engl.: "Atomic Layer Deposition" - ALD), die am MPI für Mikrostrukturphysik seit einigen Jahren eingesetzt wird. Sie wird dort üblicherweise zur Herstellung und Funktionalisierung von Nanostrukturen verwendet.

Mit der in dem Science-Beitrag vorgestellten MPI-Methode wird eine erhebliche Erhöhung der Belastbarkeit der Fasern erzielt. Die Werte für natürliche Spinnenseide und infiltrierte Spinnenseide liegen etwa um den Faktor 10 auseinander (141 Megajoule pro Kubikmeter / 1493 Megajoule pro Kubikmeter ). Zum Vergleich beträgt die Festigkeit einer Stahlfaser mit dem gleichen Querschnitt etwa 6 Megajoule pro Kubikmeter.

Die Arbeiten erfolgten in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Martin-Luther- Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM Halle. Die eigentlichen Prozesse zur Modifizierung der Spinnenfäden wurden am MPI für Mikrostrukturphysik entwickelt. Dort erfolgte auch die Charakterisierung der infiltrierten Fasern hinsichtlich Struktur und Zusammensetzung. Die mechanischen Eigenschaften wurden am Fraunhofer-Institut untersucht. Unerlässlich für die eingehende elektronenmikroskopische Untersuchung der Fasern war die Probenpräparation in Form von Dünnschnitten, die am Biozentrum der MLU erfolgte, sowie die Charakterisierung mittels Kernmagnetischer Resonanz-Spektroskopie durch Mitarbeiter des physikalischen Instituts der MLU.

Zurzeit werden Fragen zum theoretischen Hintergrund des interessanten Phänomens untersucht, die alle Beteiligten wohl noch einige Zeit beschäftigen werden.

Auch wenn natürliche Spinnenfasern bisher nicht von großem kommerziellem Interesse sind, könnten die Erkenntnisse der Hallenser Forscher bald praxisrelevant werden. Der Grund liegt darin, dass diese Infiltrationstechnik auch auf einige kommerzielle Fasern angewendet werden kann. Es ist darüber hinaus nachgewiesen, dass Collagenfasern und eine Vielzahl von Biomaterialien mit dem hier beschriebenen Prozess mechanisch verbessert werden können. Für alle möglichen Anwendungen gilt die hier verkürzt wiedergegebene Kombination von Eigenschaften „leicht - fest - flexibel"!

Originalarbeit:

Titel: "Greatly Increased Toughness of Infiltrated Spider Silk"
Autoren: Seung-Mo Lee, Eckhard Pippel, Ulrich Gösele, Christian Dresbach, Yong Qin,C. Vinod Chandran, Thomas Bräuniger, Gerd Hause, Mato Knez
Journal: Science 324, 488-491 (2009).

Kreuzspinne in der Mitte ihres Netzes 
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Abbildung: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik
Kreuzspinne in der Mitte ihres Netzes
Abbildung: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik
Vierfach gewundener, infiltrierter Spinnenfaden, der einen 27,5 Gramm schweren Block an einem Haken hält. 
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Abbildung: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik.
Vierfach gewundener, infiltrierter Spinnenfaden, der einen 27,5 Gramm schweren Block an einem Haken hält.
Abbildung: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik.
 

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