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19.03.2021 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Selbstorganisation und bioinspirierte Kristallisationskontrolle

Autor:
Dieter Beste
5 Min. Lesedauer

Die vielfältigen Mechanismen, die sich in der Evolution des Lebens auf unserem Planeten herausgebildet haben, sind Quell der Inspiration für Ingenieure. Etwa die Selbstorganisation, die sich Materialwissenschaftler besser zunutze machen wollen. 

Biologische Systeme bringen uns mit Fähigkeiten wie Adaption, Selbstheilung, Selbstorganisation oder unzähligen Varianten der Reproduktion immer wieder zum Staunen. "Im Gegensatz zu konventionellen technischen Maschinen, die über externe Eingriffe versorgt, gesteuert und gewartet werden müssen, sind biologische Systeme für ihr Funktionieren auf Selbsterhalt, Selbstorganisation, Anpassungsfähigkeit und die effiziente Nutzung der verfügbaren Ressourcen ausgerichtet", charakterisieren Patrick Dieckhoff, Sophie Hippmann und Raoul Klingner im Buchkapitel "Biologische Transformation" den Unterschied zu hergebrachten Paradigmen der Technikentwicklung (Seite 18). Doch inzwischen bricht sich in Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften ein neues Denken Bahn: Systematisch werden Fähigkeiten der Natur in Technologie transponiert – so weckt etwa das Phänomen der Selbstorganisation das Forscherinteresse in Materialwissenschaft und Werkstoffentwicklung.

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So will Anna Schenk, Juniorprofessorin für Kolloidale Systeme an der Universität Bayreuth, für das Design von komplexen Materialien von der Natur zu lernen. Ihr komme es vor allem darauf an, berichtet sie, an der Schnittstelle von Physikalischer Chemie, Biologie und Materialwissenschaften die zugrundeliegenden Mechanismen der Mineralabscheidung und Selbstorganisation zu verstehen. Denn in zahlreichen Organismen werden anorganische Kristallstrukturen genutzt, um harte Gewebe – zum Beispiel Knochen der Wirbeltiere, Muschelschalen oder Schneckengehäuse – aufzubauen. Diese Kristallstrukturen sind oft erstaunlich gut an ihre jeweilige Funktion angepasst. Entscheidend sei dabei ihr innerer Aufbau: Sie bestehen aus winzig kleinen Mineralkristallen, die in ihrer Anordnung wiederum durch weiche Biomoleküle bestimmt werden.

Anna Schenk erhält einen der diesjährigen Heinz Maier-Leibnitz-Preise. Die mit 20.000 Euro dotierte Auszeichnung, die ihr am 4. Mai verliehen wird, ist der bedeutendste Preis für den wissenschaftlichen Nachwuchs in Deutschland. Eine von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) berufene Jury würdigt damit Schenks Forschungsansatz einer bioinspirierten Kristallisationskontrolle. 

Innovative Entwicklung von Funktionsmaterialien

"Wir wollen uns die oft sehr raffinierten Bauprinzipien der Natur abschauen, um diese dann auf künstliche Systeme zu übertragen. Dadurch wollen wir erreichen, dass wir den Aufbau und die Funktionen neuer Materialien, beispielsweise von Katalysatoren für die Wasserspaltung, im Labor gezielt steuern können", sagt Anna Schenk. Mit diesem Ziel studiert ihre Arbeitsgruppe physikalische und chemische Prozesse der Selbstorganisation von kleinsten nanoskaligen Einheiten über mikroskopisch sichtbare Strukturen bis hin zu größeren Bauteilen. Diese verschiedenen Größenskalen miteinander zu verknüpfen, sagt Schenk, "ist eine spannende Herausforderung, die sowohl in der Grundlagenforschung als auch bei innovativen Entwicklungen von Funktionsmaterialien immer stärker an Bedeutung gewinnt." Der innovative Ansatz, Konzepte der Natur zur Strukturierung kristalliner Materialien auf Katalysatormaterialien anzuwenden, hat die Jury des Heinz Maier-Leibnitz-Preises überzeugt: Die Übertragung der Strukturierungskonzepte von Biomineralien auf Elektrokatalysatoren wie Kobaltoxid könne einen völlig neuen technischen Ansatz zur Synthese dieser Katalysatorklasse für die Energiewende hervorbringen.

Auf ein bekanntes Phänomen der Selbstorganisation, das ohne Energieverbrauch vonstattengeht und praktisch bei allen Materialien bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur zu beobachten ist, macht Hermann Helbig im Buchkapitel "Wunder der Natur" auf Seite 228 aufmerksam: "Das typischste Beispiel hierfür ist die Kristallisation, bei welcher das entsprechende Medium (z. B. Wasser) unter Freisetzung von Kristallisationswärme einen energetisch niedrigeren Zustand einnimmt (in dem Fall Eiskristalle bildet)." Das Wechselspiel von Selbstorganisation, Gleichgewicht, Nichtgleichgewicht und Selbstregulation steht auch im Mittelpunkt des Buchkapitels "Grundlegende Prinzipien der Natur – Überleben im offenen "Kochtopf". Springer-Autor E. W. Udo Küppers geht es darum, Selbstorganisation als ein universelles Phänomen facettenreich zu beleuchten: "Alles Leben auf unserer Erde ist mit Selbstorganisation verbunden. Selbstorganisation ist aber ein derart universelles Phänomen, dass es auch in nichtlebender Umgebung stattfindet" (Seite 94).

Selbstorganisation in nichtlebendiger Umgebung

Jemand, der sich das Phänomen Selbstorganisation in nichtlebendiger Umgebung für die Werkstoffentwicklung zunutze zu machen weiß, ist Alfred Ludwig, Inhaber des Lehrstuhls Neue Materialien und Grenzflächen der Ruhr-Universität Bochum: Materialien, die aus fünf oder mehr Elementen in annähernd gleicher Menge zusammengesetzt sind, könnten helfen, bisherige Grenzen zum Beispiel bei der Katalyse zu überwinden. Theoretisch gibt es Millionen Kombinationsmöglichkeiten – eine Herausforderung liegt darin, die richtigen zu finden. Dabei wählt das Forschungsteam um Ludwig einen unkonventionellen Weg, indem es 20 bis 30 Ausgangselemente durch kombinatorisches Sputtern in einer perfekten Ausgangsmischung zusammenbringt, diese Mischung dann energetisch anregt und mit atomarer Genauigkeit ermittelt, welche komplexen Legierungen - sogenannte Hochentropielegierungen – daraus entstehen. 

Legierungen, die sich selbst finden

Hochentropielegierungen (High-Entropy Alloys) versprechen unter anderem die Entwicklung neuartiger Katalysatoren auf der Basis ungiftiger und reichlich verfügbarer Elemente, die dieselbe Leistungsfähigkeit besitzen wie solche, die rar und teuer sind, ist das Forscherteam überzeugt, weil sie zum Beispiel auf Platin oder Iridium basieren. "Es hat sich gezeigt, dass die Anzahl von fünf unterschiedlichen Elementen für solche Materialien entscheidend ist", sagt Alfred Ludwig. In einer aktuell von der Volkswagen-Stiftung im Programm "Experiment! Auf der Suche nach gewagten Forschungsideen" geförderten Studie bringt das Team Ausgangselemente in atomarer Form in einer Sputteranlage auf ein Trägermaterial auf, das aus vielen winzigen Siliziumspitzen besteht. Auf den Spitzen bildet sich jeweils ein kleines Volumen, das in nahezu keinem direkten Kontakt zum Trägermaterial steht. "Diese Ansammlungen von einigen Millionen Atomen auf jeder Spitze sind unser Nanoreaktor", erklärt Alfred Ludwig. Mittels Atomsondentomografie (Atom Probe Tomography) können die Wissenschaftler das entstandene Material untersuchen und zum Beispiel herausfinden, ob es stabil ist und bei welcher Temperatur sich die einzelnen Elemente wieder trennen. Die Idee des neuen Projekts besteht darin, 20 bis 30 ungiftige und verfügbare Elemente gleichzeitig auf solche Siliziumträger zu sputtern und anschließend zu untersuchen, welche polyelementaren Kombinationen sich daraus bilden können. Auf diese Weise wollen die Materialwissenschaftler eine große Anzahl neuer Hochentropielegierungen entdecken.


 

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