Unkaputtbar: Skorpione und Schwämme inspirieren nachhaltiges Design
Eine Studie des Weizmann-Instituts über superzähe Organismen zeigt Strategien für die Entwicklung nachhaltigerer, widerstandsfähigerer Materialien auf
Der Mensch ist bei der Suche nach nachhaltigeren Materialien keineswegs allein. Auch die Natur "arbeitet" an dem Problem der Nachhaltigkeit, und zwar schon sehr viel länger. In einer neuen Studie zeigen Forscher des Weizmann Institute of Science, wie Designtricks, die von uralten Lebewesen wie Skorpionen und Schwämmen angewandt werden, dazu beitragen können, die Widerstandsfähigkeit von Materialien, die vom Menschen hergestellt werden, zu optimieren und damit letztlich nachhaltiges Design voranzutreiben.
"In der Natur haben sich Materialien über Millionen von Jahren in einer Umgebung entwickelt, die oft durch begrenzte Ressourcen und raue Bedingungen gekennzeichnet ist", sagt Prof. Daniel Wagner vom Weizmann-Institut für Molekularchemie und Materialwissenschaft, der sich seit mehreren Jahrzehnten mit den mechanischen Aspekten natürlicher Materialien beschäftigt. "Unser Ausgangspunkt war die Intuition, dass sich biologische Strukturen um uns herum - Bäume, Pflanzen, Knochen, Skelette verschiedener Organismen - auf eine Art und Weise entwickelt haben, die per Definition nachhaltig ist."
"In dieser Hinsicht ist die Dauerhaftigkeit der Schlüssel", sagt Studienkoautor Dr. Israel Greenfeld. "Lebende Organismen zeigen zum Beispiel eine Vielzahl spezialisierter Strategien, um mit äußeren Kräften umzugehen und dabei möglichst wenig Energie zu verbrauchen - deshalb können wir so viel von der Natur lernen, wenn wir versuchen, stärkere und langlebigere Materialien zu entwickeln."
"Die Erhöhung der Festigkeit eines Materials führt oft zu einem Kompromiss bei der Flexibilität. Aber die Natur hat Strukturen entwickelt, die beides ohne Kompromisse erreichen.
Verbesserte, effiziente Materialien bieten einen wichtigen Weg in eine nachhaltigere Zukunft, da sie zu weniger Abfall und einem geringeren Bedarf an Treibstoff führen können. Aber jeder Versuch, eine vorteilhafte Eigenschaft eines Materials zu verbessern, geht in der Regel auf Kosten einer anderen Eigenschaft des Materials. Eine Erhöhung der Festigkeit führt beispielsweise in der Regel zu einem höheren Gewicht oder einer geringeren Flexibilität.
"Die Natur findet erstaunliche Wege, das Gleichgewicht zu optimieren", sagt Greenfeld. Ein Optimierungsmerkmal, das bei einer Vielzahl von robusten organischen Stoffen zu finden ist, ist die Laminatkonstruktion: Materialien, die aus verschiedenen Stoffen bestehen, die übereinander geschichtet oder miteinander verflochten sind. Diese Art von Verbundwerkstoff weist oft eine hohe Festigkeit und Elastizität auf, während andere vorteilhafte Eigenschaften wie Leichtigkeit und Flexibilität erhalten bleiben.
In der neuen Studie untersuchten Wagner und Greenfeld zwei natürliche Laminate, die ein außergewöhnliches Maß an Zähigkeit aufweisen: die äußere Schale oder Kutikula eines Skorpions und das innere Skelett oder Spicule eines Meeresschwamms. Die Forscher fanden heraus, dass das Geheimnis ihrer Widerstandsfähigkeit in der Abstufung liegt, einer speziellen Strategie, die bei vom Menschen hergestellten Materialien selten zu finden ist: eine allmähliche Veränderung der Eigenschaften von einer Schicht zur anderen.
Bei beiden Lebewesen sind die verschiedenen Schichten unterschiedlich dick, und beim Skorpionpanzer nimmt ihre Steifigkeit von außen nach innen ab, so dass die Oberfläche, die der rauen Welt, in der der Skorpion lebt, ausgesetzt ist, widerstandsfähiger ist als das Innere des Panzers. Die Untersuchung des Skorpions, die auf den Arbeiten von Dr. Israel Kellersztein, einem ehemaligen Studenten von Wagners Team, aufbaute, zeigte, dass die komplexe Schale des Organismus aus acht verschiedenen Strukturebenen besteht.
Sowohl beim Skorpion als auch beim Schwamm wurde festgestellt, dass ein subtiles, aber wirkungsvolles "Umschichten" oder Umordnen von Laminatschichten als biologischer Kompromiss zwischen gegensätzlichen Eigenschaften dient, der ihnen hilft, den Arten von Belastungen standzuhalten, denen sie normalerweise ausgesetzt sind.
Den Code knacken
Dank der Abstufung sind die Schale des Skorpions und das Skelett des Schwamms zwar zäh und stark, aber besonders widerstandsfähig gegen Risse. Auch wenn sie sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur unterscheiden, optimieren beide diese Widerstandsfähigkeit nach demselben Prinzip: der Bruchverformung. Das bedeutet, dass Risse in beiden Organismen durch Umlenkung ihres Weges entschärft werden. Sobald sich ein Riss im Material abzeichnet, wird er durch die abgestufte Struktur des Materials "ermutigt", seinen Weg zu ändern und parallel zur Oberfläche zu verlaufen, anstatt tiefer zu gehen, wo er wahrscheinlich massivere strukturelle Schäden verursachen und möglicherweise zu einem katastrophalen Zusammenbruch führen würde.
Um besser zu verstehen, wie die Gradierung in beiden Organismen funktioniert, passten die Forscher ein Modell aus der klassischen Bruchmechanik an, die sich damit befasst, wie Dinge brechen. Das Modell zeigte, dass ohne Abstufung die gleiche Belastbarkeit sowohl beim Skorpion als auch beim Schwamm nur durch aufwendigere Maßnahmen, wie z. B. dickere Bauteile, zu erreichen gewesen wäre. Es zeigte auch, dass die Widerstandsfähigkeit verbessert wird, indem mehr Material in Strukturbereiche verlagert wird, die für die Haltbarkeit kritischer sind.
Das war aber noch nicht alles, was die Forscher herausfanden. Sie zeigten, wie in bioinspirierten Materialien die Abstufung auf eine Weise genutzt werden kann, die die Natur noch nicht erfunden hat. "Mithilfe dieses Modells konnten wir die Abstufungen auf eine Weise verändern, an die der Skorpion und der Schwamm noch nicht gedacht hatten", sagt Greenfeld.
Greenfeld und Wagner weisen darauf hin, dass es eine große Herausforderung ist, Konzepte wie die Abstufung in von Menschen erstellte Designs zu importieren. "Für den Menschen ist ein solches Design innovativ", sagt Greenfeld. "Biologische Strukturen werden von unten nach oben geschaffen - von winzigen, nanometrischen Bausteinen über mikroskopische Strukturen bis hin zu immer größeren Strukturen -, während man in der Technik normalerweise nicht auf molekularer Ebene beginnt."
Doch während die Struktur des Skorpions besonders komplex ist, lassen sich andere natürliche Mikrostrukturen, wie die des Meeresschwamms, leichter in der Technik anwenden. Im Skelett des Schwamms zum Beispiel werden Risse nicht nur durch die Abstufung, sondern auch dadurch verlangsamt oder gestoppt, dass spröde Schichten mit winzigen Mengen weicherer Schichten durchsetzt sind. "Es handelt sich um eine Keramik, die im Wesentlichen aus Siliziumdioxid besteht, also nicht die Art von Material, von dem man normalerweise eine hohe Bruchfestigkeit erwartet", sagt Wagner.
Ein besseres Verständnis der Strategien, die in natürlichen Verbundwerkstoffen zu finden sind, so die Forscher, könnte Ingenieuren dabei helfen, unsere eigenen, vom Menschen hergestellten Verbundwerkstoffe zu optimieren, eine breite Familie von Materialien, die vom allgegenwärtigen Zement bis zu speziellen faserverstärkten Laminaten reicht, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden.
Wissenschaft in Zahlen
Die Kutikula des Skorpions ist haardünn - etwa 0,1 mm dick - und besteht aus etwa 20 Schichten, die aus vielen ineinander verschachtelten Bouliganden bestehen. Ein Bouligand ist eine verdrehte, spiralförmige Struktur, die aus etwa 100 Nanoschichten besteht, die jeweils 50 Nanometer dick sind. Eine einzelne Nanoschicht besteht aus 5 Nanometer dicken Chitin-Protein-Fibrillen, die zu Fasern zusammengefasst sind.
Nicht genau kopieren
Wagner und Greenfeld, die seit über einem Jahrzehnt zusammenarbeiten, kommen aus unterschiedlichen beruflichen Bereichen. Wagner betreibt seit langem Grundlagenforschung zur Mikromechanik biologischer Verbundwerkstoffe und von Menschen hergestellter Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen. Greenfeld hingegen hat eine Karriere in der Luftfahrttechnik hinter sich, einem Bereich, in dem es auf Effizienz ankommt. Er kommt auch aus verschiedenen Bereichen der Materialverwendung, von der Konstruktion bis zur Systemtechnik und Erfindung. "Da Dr. Greenfeld aus der Welt des praktischen Schaffens kommt, bringt er eine andere Perspektive in unser Labor - und wir profitieren beide von der Zusammenarbeit", sagt Wagner.
"Bei unserer Arbeit geht es nicht darum, etwas zu kopieren", fügt er hinzu. "Es geht darum, sich von den Designs der Natur inspirieren zu lassen."
"Wie man diese Inspiration nutzt, hängt natürlich von den eigenen technischen Zielen ab, aber es geht auch darum, den Horizont dessen zu erweitern, was man mit Technik machen kann", sagt Greenfeld.
Wagner fasst zusammen: "Ich würde Nachhaltigkeit als die Fähigkeit definieren, die Bedürfnisse der Gegenwart zu befriedigen, ohne die Fähigkeit künftiger Generationen zu beeinträchtigen, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen. Wir betrachten die Bedeutung der mechanischen Haltbarkeit durch diese Linse - Verbesserung der Verschleißfestigkeit oder Verbesserung der Flexibilität, und das führt langfristig zu besseren Ergebnissen, ob man nun versucht, sparsamer mit Kraftstoff oder mit den Mengen an Rohstoffen umzugehen, die überhaupt benötigt werden."
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