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22.05.2014 | Werkstofftechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Biologische Schmierung technisch kopiert

Autor:
Dieter Beste

Die mechanischen Eigenschaften natürlicher Gelenke gelten als unübertroffen. Warum also nicht von der Natur lernen und nach ihrem Vorbild Leichtlauflager konstruieren? Wissenschaftler am Forschungszentrum Jülich haben einen Lösungsweg entdeckt.

„Die Gelenkschmiere bei Säugetiergelenken, zum Beispiel Oberschenkel-Becken-Gelenk des Menschen, ist biochemisch gut bekannt“, schreibt Springer-Autor Werner Nachtigall in „Biologisches Design“ auf Seite 107. Diese „Gelenkschmiere“ enthält beispielsweise Hyaluronsäuren, die für eine besonders gute Schmierung sorgen. Wenn man technische Schmierstoffe und die genannten biologischen Gelenkschmierstoffe vergleiche, finde man, so Nachtigall, dass die Reibungskoeffizienten der letzteren ungefähr zehnmal kleiner (besser) seien als die technischen: „Biologische Schmierstoffe sind also in mancher Hinsicht im Vergleich zu technischen unerreicht. Sie verhindern zuverlässig ein Festbacken der Gelenke und damit eine Zerstörung der elastischen Knorpelschichten. Zurzeit werden sie von Technikern sehr genau untersucht.“

Mithilfe von Simulationen auf Supercomputern haben jetzt Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Universität Twente ein neues Verfahren entwickelt, das die biologische Schmierung technisch kopiert und ihre Forschungsergebnisse in der Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Polymerbürsten halten das Schmiermittel an den Kontaktstellen

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Bei der biologischen Schmierung beugt in den Gelenken eine dünnflüssige, wässrige Lösung Reibungsverlusten vor. Damit der dünne Film an Ort und Stelle verbleibt, bedient sich die Natur eines Tricks. Auf den mit Knorpel überzogenen Knochenenden ist eine Polymerschicht verankert. Bei den Polymeren handelt es sich um dicht nebeneinanderliegende, langkettige Moleküle. Sie stehen vom Knorpel ab und bilden sogenannte Polymerbürsten, die das extrem fließfähige Schmiermittel anziehen und es an der Kontaktstelle halten.

In den letzten 20 Jahren gab es zahlreiche Versuche in der Bionik, das natürliche Vorbild technisch zu kopieren. Doch der durchschlagende Erfolg blieb aus. Die tentakelförmigen Polymere auf gegenüberliegenden Seiten tendieren dazu, sich ineinander zu verhaken. Dadurch bremsen sie sich gegenseitig und lösen sich von der Oberfläche. In technischen Systemen sind die herausgerissenen, einzelnen Polymere nur schwer zu ersetzen, da diese nicht die gleichen Selbstheilungsmechanismen besitzen wie ein natürlicher Organismus.

Simulationen auf Supercomputern ließen die Lösung erkennen

Mit zwei unterschiedlichen Polymeren an der Kontaktstelle, so die Idee des Jülicher Physikers Martin Müser, lässt sich das Verknäueln der Polymere dagegen unterbinden. „Wir haben auf Supercomputern simuliert, was passiert, wenn wir auf der einen Seite wasserlösliche Polymere und auf der anderen Seite wasserabweisende Polymere anbringen“, erläutert der Leiter der NIC-Arbeitsgruppe „Computational Materials Physics“ am Jülich Supercomputing Centre (JSC). „Mit einer Kombination aus einer wässrigen und einer öligen Flüssigkeit als Schmierstoff ließ sich die Reibung um zwei Größenordnungen, etwa um den Faktor 90, herabsetzen gegenüber einem System mit nur einer Art von Polymeren.“

Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop an der niederländischen Universität Twente bestätigten die Ergebnisse. „Die beiden unterschiedlichen Phasen der Flüssigkeit trennen sich, weil sie sich gegenseitig abstoßen. Das hält gleichzeitig die Polymere zurück und verhindert, dass sie über die Grenze ragen“, erläutert Dr. Sissi de Beer, die kürzlich von Müsers Arbeitsgruppe an die Universität in Twente wechselte.

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Quelle:
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