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09.01.2018 | Materialentwicklung | Nachricht | Onlineartikel

Biofilme als Bauarbeiter

Autor:
Nadine Winkelmann

Ein Team der Technischen Universität München beschreibt Verfahren aus der Biologie, die Biofilme als Bauarbeiter von Strukturschablonen für neue Werkstoffe einsetzen, welche die Eigenschaften natürlicher Materialien besitzen.

Als Schnittstelle zwischen Biologie und Technik sucht die Bionik nach dem Vorbild der Natur Lösungen für technische Probleme. So lange sie sich dabei darauf beschränkte, die Formen aus der Natur wie beispielsweise bei der Konstruktion von Flugzeugflügeln oder Schiffsrümpfen als Vorlage für ihre Entwicklungen zu nehmen, hielten sich die Probleme in Grenzen. Anders verhält es sich bei der Nachahmung der Materialeigenschaften natürlicher Baustoffe. Denn diese befinden sich in den inneren Strukturen verankert, wo Fasern über viele Größenordnungen und über verschiedene hierarchische Ebenen miteinander verknüpft sind. 

"Üblicherweise finden sich die hauptsächlichen Ursachen der mechanischen Materialeigenschaften wie Elastizität, Festigkeit oder Zähigkeit auf den kleinsten Ebenen dieser Hierarchien, vor allem auf der Nanometer-Skala", beschreibt Dr. Daniel Van Opdenbosch, Gruppenleiter am Lehrstuhl für Biogene Polymere am TUM Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit das Hauptproblem bei der Übertragung auf technische Problemlösungen. Wenn aber die Mikroorganismen selbst oder ihre Ausscheidungen den Werkstoff bilden, werden die technisch schwierigen komplexen Vernetzungen gleich mitgeliefert. 

In einem Artikel für das Fachmagazin „Advanced Materials" stellen die Forscherinnen und Forscher der TU München eine Reihe von Verfahren aus der Biologie vor, die mit Licht, Wärme, speziell präparierten Substraten oder anderen Reizen die Bewegungsrichtung von Mikroorganismen in ganz bestimmte Bahnen leiten. Damit bestehe die Möglichkeit, aus den Mikroben selbst oder ihren Sekreten maßgeschneiderte Schablonen für neue Materialien mit natürlichen Strukturen herzustellen.

Berührungsfreie Formgebung

In Straubing wendet Van Opdenbosch mit seiner Gruppe bereits einige dieser Methoden erfolgreich an. Im Rahmen eines Reinhart Koselleck-Projektes der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) machen sich die Forscher dabei die speziellen Eigenschaften von Rotalgen zu Nutze, deren Bewegungsrichtung vom Lichteinfall abhängt, und die Ketten aus Zuckermolekülen ausscheiden. Durch zeitlich veränderliche Lichtmuster, die sie in das Nährmedium der Algen projizieren, gewinnen die Forscher aus diesen langen, feinen Polymerfäden maßgeschneiderte Schablonen, die sie für die Herstellung von Funktionskeramiken verwenden. Das Anwendungsspektrum reiche von Elektroden für Batterien über neue Bildschirm- und Displaytechnologien bis hin zu Anwendungen in der Medizin etwa als Knochen- und Gewebeersatz. Das Wachsenlassen komplexer Mikrostrukturen wie ganze Bauteile und andere hierarchisch strukturierte Materialien liegt zwar noch im Bereich des Visionären, rückt aber durch die Grundlagenforschung der Straubinger Wissenschaftler in Reichweite. 

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