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Flexible Keramik durch Biosynthese Vom Tiefseeskelett zum Hightech-Material

| Redakteur: Christian Lüttmann

Neue funktionale Materialien zu entwickeln stellt Forscher vor große Herausforderungen. Oft lohnt sich der Blick in die Natur. Dort finden sich komplex strukturierte Materialien, die durch Selbstorganisation ohne große Hitze und Druckeinwirkung entstehen. An der Universität Stuttgart ahmen Wissenschaftler diese Prozesse nach und schaffen so Materialien mit ungewöhnlichen Kombinationen von Eigenschaften.

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Abb.1: Vanadiumpentoxid-Proben, deren Mikrostruktur der Sepia-Schale nachempfunden ist.
Abb.1: Vanadiumpentoxid-Proben, deren Mikrostruktur der Sepia-Schale nachempfunden ist.
(Bild: Regenscheit)

Stuttgart – Lebewesen der Tiefsee dienen als Vorbild für die Forschung von Dr. Žaklina Burghard und ihrem Team am Institut für Materialwissenschaft. „Die Natur hat Geheimnisse, denen wir auf die Spur kommen wollen“, sagt die Wissenschaftlerin. „Mit diesem Wissen möchten wir Materialien von technologischer Bedeutung herstellen, die für Anwendungen in der Nanoelektronik, der Mikrorobotik, für künstliche Muskeln, Sensoren oder Energiespeicher genutzt werden können.“

Abb.2: Die drei Vorbilder sowie deren einzigartigen Mikrostrukturen (1/3): Sepia-Schale
Abb.2: Die drei Vorbilder sowie deren einzigartigen Mikrostrukturen (1/3): Sepia-Schale
(Bild: Universität Stuttgart)

Burghard möchte multifunktionale Materialien entwickeln, die sich durch besondere strukturelle und mechanische Eigenschaften auszeichnen. Um dies zu erreichen, wählte sie die Überlebenskünstler der Tiefsee, wie Muscheln, Tiefseeschwämme und Tintenfische als Vorbild. Deren Gehäuse und Skelette sind meist fest und mechanisch stabil, gleichzeitig aber auch flexibel und leicht. Die Sepia-Schale (s. Abb. 2) muss zum Beispiel in der Tiefsee großem Druck standhalten, ist aber trotzdem extrem porös, da sie dem Tintenfisch als Auftriebskörper dient.

Perlmutt – Backsteine aus Kalk und Mörtel aus Proteinen

Abb.3: Die drei Vorbilder sowie deren einzigartigen Mikrostrukturen (2/3): Perlmutt
Abb.3: Die drei Vorbilder sowie deren einzigartigen Mikrostrukturen (2/3): Perlmutt
(Bild: Universität Stuttgart)

Solch ungewöhnliche Kombination von Eigenschaften erreicht die Natur durch den gezielten Zusammenschluss kleinster Bausteine. Perlmutt, das man in Muschelschalen findet, besteht zum Beispiel zu 95 Prozent aus der anorganischen Komponente Kalziumcarbonat, also Kalk, das in Form von nanometerdicken Plättchen vorliegt (s. Abb. 3). Diese Plättchen sind wie Backsteine übereinander gestapelt. Dazwischen befinden sich dünne Polymer-Schichten aus Proteinen und Polysachariden (organische Komponenten), analog dem Mörtel einer Backsteinmauer. Diese besondere Anordnung erhöht im besonderen Maße die Bruchfestigkeit. Das Perlmutt fungiert somit als natürlicher Stoßdämpfer für die Muschel und ist daher ein ideales Modell für keramisch-basierte Filme oder Membranen, die nicht zerbrechlich sind.

Komplexe Strukturen unter einfachen Bedingungen herstellen

„Wie können wir neue multifunktionale Materialien herstellen und warum möchten wir dafür bioinspirierte Synthesewege und Strukturen nutzen?“, fragt Burghard und liefert die Erklärung: „Das Besondere an den natürlich vorkommenden Synthesen ist, dass sie unter ‚normalen‘ Bedingungen ablaufen, zum Beispiel in Bezug auf Druck und Temperatur.“ Wenn die Synthese auch im Labor unter diesen Bedingungen stattfindet, spricht man von „green technology“: Sie spart Energie und Kosten. Das Team um Burghard hat sich auf die Herstellung von multifunktionalen dünnen Filmen, papierähnlichen keramikbasierten Membranen und porösen Materialien spezialisiert.

Ein Beispiel hierfür sind keramische Papiere aus Vanadiumpentoxid-Nanofasern. Diese werden durch Selbstorganisationsprozesse hergestellt, bei denen sich die Nanofasern parallel zueinander anordnen. Die resultierenden Papiere besitzen eine Schichtstruktur, ähnlich der von Perlmutt. Ähnlich sind daher auch die mechanischen Eigenschaften dieser Papiere, die sich durch eine sehr hohe Bruchfestigkeit und darüber hinaus auch einer hohen Flexibilität auszeichnen. „Wir sind jedoch nicht in allen Bereichen so gut, wie das natürliche Perlmutt, es gibt noch einiges zu entdecken“, gibt Burghard zu.

Anwendungsfelder: Flexible Batterie bis künstlicher Muskel

Abb.4: Die drei Vorbilder sowie deren einzigartigen Mikrostrukturen (3/3): Tiefseeschwammnadel
Abb.4: Die drei Vorbilder sowie deren einzigartigen Mikrostrukturen (3/3): Tiefseeschwammnadel
(Bild: Universität Stuttgart)

Anwendungsgebiete für solche keramischen Papiere sind z.B. flexible Batterien in Kleidung oder deren Verwendung in der Elektromobilität. „Unsere Vision ist es, flexible Batterien herzustellen, die wie ein Klebefilm auf Autos angebracht werden können“, verrät Burghard. Das Team hat eine Methode entwickelt, um Vanadiumpentoxid-Papiere zu Röllchen mit Durchmessern im Mikrometerbereich weiterzuverarbeiten. Diese Mikroröllchen erinnern an die Ringstruktur der Tiefseeschwammnadel (s. Abb. 4) und auch in deren mechanischen Eigenschaften finden sich Gemeinsamkeiten. Anwendung könnten solche Strukturen als künstliche Muskeln oder in der Mikrorobotik finden.

Besser als die Natur?

Die Natur lehrt die Forschenden die Zusammenhänge zwischen chemischer Zusammensetzung, Struktur und mechanischen Eigenschaften. So besitzen Perlmutt und die Sepia-Schale eine fast identische Zusammensetzung, doch die unterschiedliche Anordnung der Bausteine führt zu sehr unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Das Gleiche beobachtet Burghard im Labor. „Wir untersuchen, welche Mikro- und Makrostrukturen und chemische Zusammensetzung die besten Ergebnisse hinsichtlich dieser mechanischen Eigenschaften bringt“, sagt sie.

Bildergalerie

Alternative Strukturierungsmethoden, wie das Ice-templating, führen beispielsweise dazu, dass sich die Vanadiumpentoxid-Nanofasern nicht wie im Perlmutt anordnen, sondern wie in der Sepia-Schale. „Die so gewonnenen hochporösen, keramischen Gerüste bestehen zu 99,8 Prozent aus Luft, und besitzen somit eine sehr geringe Dichte.“ erklärt die Forscherin. „Trotzdem ist es überaus stabil. So kann es über das 1000fache seines Eigengewichts stemmen.“ Dieses Gerüst ist nicht nur sehr stabil, sondern besitzt auch noch eine weitere mechanische Eigenschaft mit der niemand der Forscher gerechnet hatte: Obwohl das Gerüst aus 100 Prozent Keramik besteht, lässt es sich elastisch verformen (s. Abb. 5 und 6 in der Bildergalerie). Dies ist für Keramiken sehr ungewöhnlich. „Nach Druckeinwirkung kehrt dieses Material vollständig in den Ausgangszustand zurück. So etwas kann die Natur nicht“, betont Burghard.

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