BIOKON – Das Bionik-Kompetenznetz

Nachrichten mit Nachhall

Das Schönste, was wir entdecken können, ist das Geheimnisvolle.
Albert Einstein, Physiker

Bionik ist das anwendungsorientierte Zusammenspiel von Wissenschaft und forschenden Unternehmen. Ihre Ergebnisse zielen auf Innovationen nach dem Vorbild der Natur. Sie sollen immer das Potenzial haben, Ideengeber für ein besseres Morgen zu sein. Solchen erfolgreichen Lösungen schaffen Nachrichten mit Nachhaltigkeit.

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Presse // 26. August 2014

Neuartiges Pflaster ohne Klebstoff

Amerikanische Forscher experimentieren mit einem neu entwickelten Pflaster, das nicht mit Klebstoff beschichtet, sondern mit Hunderten von Mikronadeln aus Kunststoff besetzt ist. Diese dringen in das Gewebe ein, schwellen dort an und haften fest. Das Pflaster schont die Haut und lässt sich leicht wieder entfernen, berichtet die Deutsche Apotheker Zeitung.

Das Vorbild des neuen Pflastertyps ist der Kratzwurm (Pomphorhynchus laevis), ein Fischparasit. Dieser will möglichst lange in seinem „Lebensraum“ bleiben und nicht seinen Wirt verlassen. Deshalb dringt der Wurm mit seinem dünnen „Rüssel“ in die Darmwand ein, wo der Rüssel durch die Einlagerung von Wasser sein Volumen vergrößert und dadurch fest im Gewebe verankert wird.

Während der Kratzwurm nur einen einzigen Anker besitzt, ist das neuartige Pflaster dicht mit Nadeln besät. Sie haben einen Kern aus Polystyren, der seine Form nicht verändert, und eine Spitze aus einem Gemisch von Polystyren und Polyacrylat, das Wasser aufnehmen kann und dabei anschwillt. Sobald die Nadeln ins Gewebe eingedrungen sind, nehmen sie Wasser auf und verankern sich darin.

Krankenhausärzte um Jeffrey Karp in Boston, die das Pflaster entwickelt haben, sehen Anwendungsmöglichkeiten vor allem dort, wo eine sichere Fixierung wichtig ist. Dies ist bei transplantierter Haut – z.B. bei Patienten mit schweren Verbrennungen – der Fall, die derzeit in der Regel durch Klammern fixiert wird. Das Pflaster scheint hier die ideale Alternative zu sein, denn es sitzt fester, beeinträchtigt das Gewebe mitsamt den Nerven und Gefäßen weniger und verringert auch noch das Infektionsrisiko. Zudem lässt sich das Pflaster schonend entfernen, wenn es seine Funktion erfüllt hat.

Nach Meinung seiner Erfinder hat das Pflaster weiteres Potenzial: Die Nadelspitzen könnten mit Arzneistoffen wie Antibiotika oder wundheilungsfördernden Substanzen beladen werden, die dann nicht mehr die Barriere der Hornzellschicht zu durchdringen brauchten, sondern direkt in das lebende Gewebe der Haut gelangen und dort ihre Wirkung entfalten.

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Presse // 21. August 2014

Leise wie ein Eulenflügel

Ziehl-Abegg hat im Bereich der Lüftungstechnik für einen neuen Ventilator den Flügel nach dem Vorbild einer Eule geformt. Das Ergebnis: Der Ventilator ist flüsterleise. Zudem wird dieser „bionische Ventilator“ aus einem bio-basiertem Polyamid von Akro-Plastic hergestellt.

Ziehl-Abegg hat die Vorteile der Bionik erkannt und entsprechend in der Formgestaltung ihrer neuen Ventilatorgeneration umgesetzt. Besonders der extrem leise Flug der Eule hat die Entwickler des Unternehmens inspiriert. Ventilatorenflügel mit einer gezackten Hinterkante, wie beim Eulenflügel, sind nun in vielen Bereichen markantes Kennzeichen von Produkten des Künzelsauer Industrieunternehmens. Diese Geometrie nach Vorbild des Eulenflügels reduziert das Geräusch des Ventilators maßgeblich. „Indem wir bionische Erkenntnisse in die Entwicklung unserer Ventilatoren einfließen lassen, stoßen wir in ganz neue Sphären bei Energieeinsparung und Geräuschreduzierung vor“, erklärte Norbert Schuster, Technikvorstand bei Ziehl-Abegg.

Neu ist der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen für die Kunststoffherstellung. „Damit können wir schon bei der Produktion den CO2-Fußabdruck von Ventilatoren deutlich reduzieren“, erklärte Schuster den Prototyp eines bionischen Ventilators aus Bio-Kunststoff.
Als Material für den neuen Axialventilator wählte man das biobasierte Polyamid 6.10 von Akro-Plastic (Akromid S), das die gängige Definition eines Biokunststoffs erfüllt. Es besitzt einen bis zu 70%-igen biogenen Kohlenstoff-Anteil.

Diese extrem leisen und energieeffizienten Ventilatoren werden zukünftig in der Kältetechnik, in Heizungen, Wärmepumpen und zur Elektronikkühlung ihren Einsatz finden. In diesen Bereichen sorgen sie dafür, dass neben einem ressourcenschonenden Werkstoffeinsatz auch die Geräuschemission deutlich reduziert wird. Das umweltfreundliche bionische Konzept von Ziehl-Abegg wurde in verschiedenen Wettbewerben durch Auszeichnungen honoriert.

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Presse // 22. Juli 2014

Schlangenhaut gegen den Verschleiß

Quietschende Bremsen, ratternde Scheibenwischer, abgefahrene Reifen: Verschleiß technischer Bauteile macht uns nicht nur in unserem persönlichen Alltag zu schaffen. Mit einer künstlichen Schlangenhaut von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) könnten wartungsbedingte Produktionsausfälle sowie teure und umweltschädliche Schmiermittel zukünftig Geschichte sein. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Kieler Forschenden vor kurzem in dem Fachjournal Beilstein Journal of Nanotechnology.

„Schlangen bewegen sich seit Millionen von Jahren ohne Extremitäten fort“, weiß Dr. Martina Baum. Die Forscherin der CAU mit einem Abschluss im seltenen Studiengang Technische Biologie, Universität Stuttgart, hat sich genau deshalb die Oberfläche von Schlangenhaut genauer angesehen. Und nicht nur das: In ihrer Studie berichten Baum und ihre Kollegen Professor Stanislav N. Gorb und Lars Heepe aus der Arbeitsgruppe Funktionelle Morphologie und Biomechanik am Zoologischen Institut, wie sie die Eigenschaften von Bauchschuppen der Kalifornischen Kettennatter auf ein künstliches Material übertrugen. „Die Schlange ist in vielen verschiedenen Gegenden zuhause und bewegt sich auf unterschiedlichen Untergründen“, erklärt Baum ihre Wahl der Art. „Das macht sie sehr interessant für unsere Grundlagenforschung.“

Bei der durch Schlangen inspirierten mikrostrukturierten Polymeroberfläche, kurz SIMPS, und verschiedenen anderen ähnlichen Oberflächen analysierten die Forschenden deren Reibungs- und insbesondere deren „Stick-Slip-Verhalten“ (oder auch Ruckgleiten). Dieses Phänomen tritt immer dann auf, wenn zwei Festkörper übereinander hinweg gleiten. Dabei entstehen Vibrationen: im großen Maßstab zum Beispiel bei Erdbeben, im mikroskopisch kleinen Maßstab eben bei quietschenden Bremsen. Neben unerwünschten Geräuschen sorgt es ebenfalls für einen erhöhten Materialverschleiß.

Sowohl ein Abdruck der echten Schlangenhaut als auch die SIMPS zeigten in den Untersuchungen ein reduziertes Ruckgleiten. „Wir konnten außerdem zeigen, dass es keinen einfachen Zusammenhang zwischen Reibungskoeffizient und Ruckgleiten gibt“, berichtet Martina Baum. Der Reibungskoeffizient spiegelt das Verhältnis von Reibungskraft und Anpresskraft zwischen zwei Körpern wider. Das verminderte Auftreten des Ruckgleitens bei Schlangenhaut und SIMPS lasse darauf schließen, so die Forschenden, dass die Bauchschuppen von Schlangen nicht nur reibungsoptimiert, sondern auch abriebminimiert sind, um länger intakt zu bleiben. Technische Polymeroberflächen, die durch Reibung beansprucht werden, könnten von den Erkenntnissen profitieren und nach Vorbild der Schlangenhaut verbessert werden.

Martina Baum wechselte nach der Studie von der Zoologie in die Kieler Materialwissenschaften in die Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien. Dort ist ihre Kombination von biologischem und technischem Wissen sehr gefragt. Planungen, die Forschung in diesem Bereich, basierend auf den Erkenntnissen aus dem Schlangenhaut-Projekt fortzuführen, gibt es auch schon.

Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen des BIONA Förderprogramms (BMBF 01 RB 0812A) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung durchgeführt. Dieses Projekt war eine Kollaboration zwischen Forschern der Christian-Albrechts Universität zu Kiel, der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn und dem Industriepartner Leonhard Kurz Group Stiftung & Co (Fürth, Germany).
Quelle: CAU Kiel

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Aktuelles // 19. Juli 2014

Eine Haut lässt die Muskeln spielen

Ungeahnte Kräfte entwickelt eine künstliche Haut, die ein Team um Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam jetzt präsentiert. Die Forscher haben eine Membran hergestellt, die sich sehr schnell aufrollt, wenn sie in Kontakt mit den Dämpfen organischer Lösungsmittel wie etwa Aceton kommt. Mit der Folie – Fachleute sprechen von einem Aktuator – ahmen sie biologische Strukturen nach, die sich wie die Venusfliegenfalle oder die Deckel der Samenkapseln von Mittagsblumen bei einem Reiz von außen bewegen. Dabei kommt ihr Aktuator den biologischen Vorbildern besonders nah, weil die Forscher darin erstmals zwei Designprinzipien anwendeten, die Materialwissenschaftler bisher nicht für solche Systeme nutzten: Zum einen konzipierten sie die Membran so, dass deren Oberseite hart ist, das Material darunter aber allmählich weicher wird. Zum anderen wird die Folie von Poren durchzogen, die dem Lösungsmittel einen raschen Zugang in die Membran gewähren. Daher reagiert diese auf den äußeren Reiz schneller als andere Aktuatoren. Solche Materialien könnten als künstliche Haut und Muskeln etwa für Roboter dienen, eignen sich aber auch als Sensoren.
 
Pflanzen kennen keine Muskeln, viele sind trotzdem ziemlich rührig. So öffnen sich die Samenkapseln der Mittagsblume, wenn sie nass werden, wenn die Bedingungen also günstig sind, damit die Samen gedeihen können. Sobald die Kapseln trocken fallen, schließen sich die Deckel wieder. Die Aussicht auf eine erfolgreiche Fortpflanzung, verdankt die Mittagsblume der ausgeklügelten Struktur der Kapseldeckel: Da deren Unterseite anders als die Oberseite Wasser aufnehmen kann und dabei aufquillt, klappen die feuchten Deckel auf, während sie sich im trockenen Zustand wieder zusammenfalten. Ganz ähnlich funktioniert der biomimetische Aktuator, den ein Team um Jiayin Yuan, Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, entwickelt hat.

„Unsere Membran reagiert auf einen äußeren Reiz gut zehnmal schneller als bisherige Polymer-Aktuatoren“, sagt Jiayin Yuan. „Sie führt zudem eine größere Bewegung aus.“ Dabei übt die Membran eine Kraft aus, mit der sie etwa da zwanzigfache ihres eigenen Gewichts anheben kann. Und sie funktioniert sogar dann noch fast tadellos, wenn ihr die Forscher ziemlich zusetzen: Erst kühlen sie das Material mit flüssigem Stickstoff zwei Stunden lang auf minus 190 Grad Celsius, erhitzen es anschließend einen ganzen Tag lang auf plus 150 Grad Celsius und pressen es dann noch mit einer Tonne pro Quadratzentimeter. Zwar büßt die Membran bei dieser Tortur ein wenig an Reaktionsgeschwindigkeit ein, funktioniert aber immer noch besser als alle vergleichbaren Polymer-Aktuatoren, die sich beim Kontakt mit einer Flüssigkeit bewegen.

Ein Gefälle im Grad der Vernetzung und Poren machen den Unterschied

Materialwissenschaftler verfolgten bereits verschiedene Ansätze, um biomimetische Aktuatoren zu entwickeln, die sich also wie biologische Vorbilder verhalten. Bisher kamen sie dabei jedoch nicht an das natürliche Vorbild heran. Wie bei den mechanischen Teilen von Pflanzen macht auch hier die Struktur des Materials den Unterschied. „Unsere Membran weist einen Gradienten, also eine Gefälle im Grad der Vernetzung auf, und ist außerdem porös“, sagt Jiayin Yuan. „Dank dieser beiden Strukturmerkmale, reagiert unser Aktuator schnell und mit einer großen Bewegung.“ Bisher bestehen viele solcher Aktuatoren dagegen aus zwei Schichten, die unterschiedlich viel Flüssigkeit aufnehmen. Solch eine Materialkombination kann aber nur relativ kleine Bewegungen ausführen, und ist dabei sogar noch langsam. Viele dieser Systeme lassen sich auch nur aufwändig herstellen, einige gehen zudem kaputt, wenn sie zu heiß oder trocken werden.

Ihren besonders leistungsfähigen Membran-Aktuator erhalten die Forscher, indem sie zunächst in einer entsprechenden Lösung eine Membran aus einem ionischen Polymer erzeugen. In diese Folie eingelagert sind voluminöse Säulen-Moleküle, die mögliche Anknüpfungspunkte zu den ionischen Polymeren tragen. Die molekularen Säulen und Ketten vernetzen die Forscher nun mit einer Ammoniaklösung, die die Anknüpfungspunkte der Säulen aktiviert. Der Clou dabei: Die Forscher gewähren der Ammoniaklösung nur von einer Seite Zugang zu der Membran, weil diese auf einer Glasunterlage liegt. Die Lösung sickert also nur langsam von oben in die Folie ein. Daher verknüpft sie die Komponenten an der Oberseite stark, aber immer weniger, je tiefer es in die Membran hineingeht. Die wässrige Ammoniaklösung hat darüber hinaus noch einen anderen Effekt: Sie hinterlässt auch die Poren in der Folie.

Durch die Poren breitet sich der Dampf des Lösungsmittels wie etwa des Acetons schlagartig in der Membran aus. An der Oberseite, die stark vernetzt und hart ist, richtet die organische Treibstoff des Aktuators allerdings nicht viel aus. In Richtung der Unterseite dagegen immer mehr: Dort löst es das ionische Polymer und lässt das Material aufquellen – die Membran biegt sich.

Die Membran kann zwischen verschiedenen Lösungsmitteln unterscheiden

Solche Aktuatoren könnten überall dort nützlich sein, wo ein Material mit einer Bewegung auf einen äußeren Reiz reagieren soll. So könnte eine Membran wie diejenige des Teams um Jiayin Yuan, an dem auch Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin beteiligt waren, Robotern gleichzeitig als künstliche Haut und Muskel dienen. Ihr besonderer Charme läge darin, dass für die Bewegung keine Energie extra aufgewendet werden müsste. Die würde vielmehr der Reiz selbst liefern.

Eine weiteres ziemlich unerwartetes Einsatzgebiet der Membran kam den Forschern in den Sinn, während sie verschiedene Lösungsmittel zum Antrieb des Aktuators testeten: „Die Membran reagiert sehr charakteristisch auf jedes Lösungsmittel, das wir verwendeten – sowohl in der Stärke der Bewegung als auch in der Reaktionszeit“, erklärt Jiayin Yuan. „Sie eignet sich also sehr gut als Sensor, der zwischen verschiedenen organischen Lösungsmitteln unterscheiden kann.“

Die Forscher des Potsdamer Max-Planck-Instituts wollen ihr Material nun weiterentwickeln. Sie arbeiten etwa an einem Aktuator, der nicht durch ein Lösungsmittels motiviert wird, sondern durch Licht. Und auch darin sieht Jiayin Yuan nur eine der Chancen, die sein Forschungsgegenstand bietet: „Wir wollen zeigen, dass polyionische Flüssigkeiten Anwendungen ermöglichen, die mit anderen Materialien nicht denkbar sind.“

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Aktuelles // 17. Juli 2014

Mottenauge als Vorbild für Solarzellen

Weltweit forschen Wissenschaftler an Solarzellen, die die Photosynthese der Pflanzen nachahmen und aus Sonnenlicht und Wasser synthetische Brennstoffe wie Wasserstoff bilden. Empa-Forscher haben nun eine solche photoelektrochemische Zelle dem Mottenauge nachempfunden und dadurch die Lichtausbeute drastisch erhöht.

Eisenoxid, also Rost, könnte die Solartechnik revolutionieren: Aus dem – meist unerwünschten – Stoff lassen sich Photoelektroden herstellen, die Wasser spalten und dadurch Wasserstoff erzeugen. So wird Sonnenenergie nicht erst in Elektrizität, sondern direkt in einen wertvollen Brennstoff umgewandelt. Leider hat das Ausgangsmaterial so seine Tücken: Eisenoxid ist zwar unschlagbar billig und absorbiert genau in dem Wellenlängenbereich, in dem die Sonne am meisten Licht aussendet, doch es leitet elektrischen Strom sehr schlecht und muss daher immer in Form äußerst dünner Filme verarbeitet werden, damit die Wasserspaltung funktioniert. Der Nachteil: Diese dünnen Filme absorbieren zu wenig vom eingestrahlten Sonnenlicht.  

Mikrokügelchen fangen das Sonnenlicht ein  

Den Empa-Forschern Florent Boudoire und Artur Braun ist es nun gelungen, dieses Problem zu lösen: Eine spezielle Mikrostruktur der Photoelektrode fängt das Licht buchstäblich ein und lässt es nicht mehr heraus. Die Grundlage für diese innovative Struktur bilden winzige Partikel aus Wolframoxid, das wegen seiner satten, gelben Farbe ebenfalls für Photoelektroden benutzt werden kann. Die gelben Kügelchen werden auf einer Elektrode aufgetragen und dann mit einer hauchdünnen (nanoskaligen) Schicht Eisenoxid überzogen. Fällt von außen Licht auf die Partikel, wird es in innen mehrfach hin und her reflektiert. Schließlich ist alles Licht absorbiert, und die gesamte Energie steht für die Spaltung von Wassermolekülen zur Verfügung. Auf diese Weise erzeugt die Photozelle aus Wasser den ökologisch vorteilhaften Brennstoff Wasserstoff.  

Im Grunde funktioniere die neu erdachte Mikrostruktur wie das Auge einer Motte, erklärt Florent Boudoire: Die Augen von Nachtfaltern müssen viel Licht einsammeln – und dürfen so wenig wie möglich reflektieren, sonst wird der Falter entdeckt und gefressen. Die Mikrostruktur dieser Augen ist speziell auf die Wellenlänge des Lichts angepasst. Die Photozelle der Empa nutzt den gleichen Effekt.  

Um künstliche Mottenaugen aus Metalloxidkügelchen herzustellen, besprühte Florent Boudoire eine Glasscheibe mit einer Suspension aus Kunststoffpartikeln, die in ihrem Inneren jeweils ein Tröpfchen Wolframsalzlösung enthielten. Die Partikel bedecken das Glas wie eine Schicht Murmeln, die dicht aneinander liegen. Dann steckte er das Ganze in den Ofen; der Kunststoff verbrennt, und aus den einzelnen Tröpfchen der Salzlösung entstehen die gewünschten Wolframoxidkügelchen. In einem weiteren Sprühvorgang wird diese Struktur mit Eisensalz überzogen und erneut im Ofen erhitzt.  

«Einfangen des Lichts» am Computer simuliert  

Nun könnte man das Mixen, Sprühen und Brennen für reine Alchemie halten – für eine Versuchsreihe, die Zufallstreffer erzielt. Doch parallel zu ihren Experimenten haben die Forscher Modellrechnungen am Computer durchgeführt und das „Einfangen des Lichts“ in den Kügelchen am Computer simuliert. Das Ergebnis der Simulationen stimmte mit den Versuchen überein, wie Projektleiter Artur Braun bestätigt. Es ist klar zu erkennen, wie viel das Wolframoxid zum Photostrom beiträgt und wie viel das Eisenoxid. Und: je kleiner die Kügelchen sind, desto mehr Licht landet auf dem Eisenoxid, das die Kügelchen überdeckt. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher untersuchen, welche Effekte mehrere übereinander liegende Schichten von Kügelchen auslösen können. Die Arbeit an der Mottenaugen-Solarzelle geht also weiter.
Quelle: Empa

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Forschung // 14. Juli 2014

Superklebende Froschzungen

Klebrige Zungen erlauben es Fröschen, ihre Beutetiere zu fassen. Wissenschaftler des Instituts für Spezielle Zoologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten nun erstmals die dabei auftretenden Kräfte messen, mit denen Froschzungen an Oberflächen haften.

Südamerikanischen Schmuckhornfröschen (Gattung Ceratophrys) setzten die Kieler Forscher Insekten hinter einer Glasscheibe vor, welche mit einem Kraftsensor verbunden war. Beim Versuch die Beute zu fangen, hafteten die Zungen am Glas und die dabei auftretenden Kräfte wurden erfasst. Die Haftkräfte lagen dabei teilweise deutlich über dem Körpergewicht der Tiere. Ein Frosch könnte also theoretisch mit seiner Zunge ein Beutetier vom Boden heben, das schwerer ist, als der Frosch selbst. „Stellen sie sich einen 80 Kilogramm schweren Menschen vor, der über 110 Kilogramm in wenigen Millisekunden mit seiner Zunge vom Boden hebt“, verdeutlicht Dr. Thomas Kleinteich, Erstautor der Studie, die Leistungsfähigkeit von Froschzungen. Über den eigentlichen Haftmechanismus von Amphibienzungen ist bisher kaum etwas bekannt. „Man geht davon aus, dass der Schleim auf der Zungenoberfläche als eine Art Superkleber wirkt“, so Kleinteich weiter, „allerdings zeigen unsere Ergebnisse, dass höhere Haftkräfte auftreten, wenn nur wenig Schleim produziert wird.“

Kleinteich und Zweitautor Professor Stanislav N. Gorb gehen davon aus, dass außer dem Schleim die Beschaffenheit der Zungenoberfläche eine entscheidende Rolle bei der Haftung der Zunge spielt. Wie diese bei verschiedenen Froscharten aussieht, beschreiben Kleinteich und Gorb aktuell. Auch planen die Forscher, den Versuch zur Kraftmessung weiter zu verbessern, um die Haftkräfte nicht nur auf Glas, sondern auch auf natürlichen Beuteoberflächen zu messen. Langfristig soll es so möglich sein, den Haftmechanismus der Froschzungen aufzuklären und für technische Anwendungen zugänglich zu machen

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Forschung // 20. Juni 2014

Neuer keramischer Werkstoff − Perlmutt stand Pate

Keramische Werkstoffe sind in der Regel äußerst fest und hart und halten hohen mechanischen Druck sowie große Hitze aus. Für viele Anwendungen sind sie deshalb das Konstruktionsmaterial der Wahl. Anders als Metalle sind keramische Werkstoffe spröde – bei ungünstiger Belastung kann es deshalb zu einem Bruch kommen, der das ganze Werkstück zerstört. Sylvain Deville von der Université Lyon und seine Kollegen ist es nun gelungen, ein neuartiges keramisches Material zu entwickeln, das diesen Nachteil überwindet. Es ist nach dem Vorbild von natürlichem Perlmutt geschaffen, wie sie in der Zeitschrift „Nature Materials“ berichten.

Perlmutt fasziniert nicht nur durch seinen irisierenden Glanz, sondern es zeichnet sich durch seine hohe mechanische Stabilität, dank einer Art Ziegel-und-Mörtel-Struktur. Es besteht zu über 95 % aus dem Mineral Calciumcarbonat und bis zu fünf Prozent aus organischer Materie.
Der mineralische Anteil ist in gestapelten Plättchen angeordnet, zwischen den einzelnen Plättchen befindet sich die sogenannte organische Matrix. Perlmutt ist also ein typisches Verbundmaterial, das man sich modellhaft ähnlich wie eine Ziegelsteinmauer vorstellen kann. Bedingt durch das organische Material („Mörtel“) zwischen den harten, aber brüchigen Plättchen aus Calciumcarbonat („Ziegel“) können sich Risse nur unter hohem Energieaufwand ausbreiten. Es ist deshalb rund 3.000 mal so robust wie reines Calciumkarbonat. Unter dem Mikroskop erkennt man, dass ein Riss nicht einfach durch das Material hindurchläuft, sondern sich um die Plättchen herumwinden muss. Er folgt einem Zickzackweg, und seine Ausbreitung wird schließlich gestoppt. Ein katastrophales Versagen, wie man es von Keramik kennt, tritt nicht auf.

Nach dem Vorbild des Biominerals Permutt haben die französischen Forscher nun eine Aluminiumoxid-Keramik hergestellt. Dafür nutzten sie ein spezielles Gefrierverfahren. Zunächst wurden winzige Aluminiumoxidplättchen mit einem Durchmesser von sieben Mikrometern in Wasser suspendiert. Die vorgekühlte Mischung ließ man über eine Kühlplatte fließen, woraufhin die Suspension erstarrte und sich die Plättchen zwischen den wachsenden Eiskristallen parallel zur Fließrichtung ausrichteten. Als Zusatz enthielt die Suspension Calciumoxid- und Siliziumdioxid-Partikel, die sich beim Gefrieren um die Plättchen herum verteilten. Das erstarrte Material wurde anschließend gefriergetrocknet, wodurch alle Eiskristalle aus dem Material entfernt wurden, stark komprimiert, um zurückbleibende Hohlräume zu entfernen, und dann auf 1.500 Grad Celcius erhitzt. Bei diesem abschließenden Sintern entstand aus den zusätzlichen Oxidpartikeln eine Glasphase, welche die Aluminiumoxidplättchen umhüllt. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass die Struktur dieser Keramik sehr jener von Perlmutt ähnelt.

Die mechanischen Eigenschaften der neuen Keramik sind bemerkenswert: Das Material ist zehnmal so fest wie normale Aluminiumoxid-Keramik und gleichzeitig äußerst zäh. Bruchversuche zeigen, dass diese sich nicht glatt durch die Keramik hindurchziehen, sondern mehrfach abgelenkt werden, bis sie schließlich enden. Wird der neuartige Keramikwerkstoff erhitzt, so hält er einer Temperatur von mindestens 600 Grad Celcius stand. Damit ist das Perlmutt-Imitat offenkundig anderen keramischen Kompositmaterialien überlegen, die beispielsweise Polymere enthalten und deshalb in ihrer Einsatztemperatur deutlich begrenzt sind.

Das Forscherteam um Deville ist überzeugt, dass eine industrielle Umsetzung leicht möglich sein sollte, weil für den Herstellungsprozess der Keramik gängige und wenig aufwendige Techniken verwendet werden. Zudem ist das Verfahren für verschiedene Ausgangsstoffe geeignet und nicht auf Aluminiumoxid beschränkt. Es können demnach eine ganze Reihe leichter, fester und bruchzäher keramischer Werkstoffen nach dem Vorbild von Perlmutt erwartet werden.

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Aktuelles // 29. Mai 2014

DFG fördert Baukonstruktionen nach dem Vorbild der Natur

Aktuelle Entwicklungen im Bereich der computerbasierten Modellierung, Simulation und Fertigung eröffnen neue Möglichkeiten, Prinzipien natürlicher Konstruktionen auf die Baukonstruktion und andere Technikbereiche zu übertragen. Diese Möglichkeiten will der SFB/Transregio (TRR 141) „Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien in Biologie und Architektur. Analyse, Simulation und Umsetzung“ untersuchen, um die Leistungsfähigkeit technischer Konstruktionen zu verbessern und die Eigenschaften natürlicher Strukturen in Architektur und Technik zu übertragen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den SFB/TRR 141 in den kommenden drei Jahren und neun Monaten mit 9,3 Millionen Euro.

Dies soll zugleich einen Beitrag zur effizienten Nutzung beschränkter Ressourcen leisten. Umgekehrt sollen die gewonnenen Erkenntnisse durch „reverse Bionik“ zu einem vertieften Verständnis der Funktion biologischer Strukturen führen. Nicht zuletzt soll die Etablierung der Bionik als wissenschaftliche Methodik vorangetrieben werden.

„Unser Ziel sind multifunktionale, anpassungsfähige und gleichzeitig ökologisch effiziente Strukturen, die die Grenzen herkömmlicher Baukonstruktionen weit hinter sich lassen“, so der Sprecher, Prof. Jan Knippers vom Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen der Universität Stuttgart. Genau wie sein Kollege Prof. Dr. Thomas Speck, der Freiburger Standortsprecher, ist Prof. Knippers Mitglied im Bionik-Kompetenznetz BIOKON. „Für die Bionik als hochgradig vernetzte Wissenschaftsdisziplin bietet der Transregio die Chance, Interdisziplinarität in Forschung, Entwicklung und Lehre zu leben“, so Prof. Speck. „Neben den vielfältigen Möglichkeiten, bionische Ideen in Architektur und Bauwesen zu verwirklichen, sind durch die enge Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen faszinierende neue Einblicke in Struktur und Funktionsweise der biologischen Vorbilder zu erwarten.“

Sprecherhochschule: Universität Stuttgart, Sprecher: Professor Dr.-Ing. Jan Knippers; außerdem beteiligt: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Eberhard Karls Universität Tübingen, Fraunhofer-Institut für Bauphysik Stuttgart, Staatliches Museum für Naturkunde Stuttgart – Zentrum für Biodiversitätsforschung Stuttgart.

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Aktuelles // 15. Mai 2014

Warum Bauteile wie Bäume wachsen – und Bäume wie Bauteile

Bäume lügen nicht: Ihre Gestalt ist immer die Reaktion auf äußere Einwirkungen oder innere Schäden und kann durch genaue Beobachtung rückverfolgt werden. Professor Claus Mattheck und seine Arbeitsgruppe in der Abteilung Biomechanik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben die Prinzipien, wie Bäume sich entwickeln und reparieren, früh erkannt und sukzessive auch auf die Optimierung von Bauteilen bezüglich Leichtbau und Dauerfestigkeit übertragen. Aus anfangs komplizierten Rechenprogrammen entwickelten sich einfache Denkwerkzeuge, die ein neues Verständnis der Bäume ganz ohne Formeln ermöglichen. Ihre Erkenntnisse haben Claus Mattheck, Klaus Bethge und Karlheinz Weber nun in dem Buch „Die Körpersprache der Bäume“ zusammengefasst.

Die Baumgestalt ist ein Protokoll von Schicksalsschlägen und deren Überwindung durch Selbstreparatur. Bäume reagieren auf äußere Einflüsse und innere Schäden, auf Wind, Risse, äußere Verletzungen oder Pilzbefall. Sie reparieren sich selbst durch lastgesteuert angebautes Holz an mechanischen Schwachstellen. Diese grundlegenden Mechanismen, nach denen sich Bäume in der Natur entwickeln und reparieren, hat Mattheck mit seiner Arbeitsgruppe früh erkannt. Hinter allem steht das Axiom konstanter Spannung, die Regel von der gerechten Lastverteilung auf der Baumoberfläche. Der Baum wächst gleichsam solange Holz zu, bis die defektbedingt lokal hohe Spannung wieder vergleichmäßigt ist. Die so entstandenen Warnsignale deutet die Methode des Visual Tree Assessment (VTA). Die VTA-Methode ist inzwischen weltweit verbreitet und Grundlage vieler Gerichtsentscheidungen. „Durch äußere Beobachtung des Baumes erkennen wir Warnsignale, die genauer untersucht werden müssen. Auf Grundlage umfangreicher Feldstudien können wir Versagenskriterien für Bäume festlegen. So können wir beurteilen, ob von bestimmten Bäumen eine Gefahr für ihre Umgebung ausgeht“ erklärt Professor Dr. Claus Mattheck.

Claus Mattheck und seine Arbeitsgruppe übertrugen die von der Natur abgeschauten Prinzipien auf mechanische Bauteile und ließen sie entsprechend „wachsen“. Die entwickelten Programme hielten Einzug in die Entwicklungsabteilungen der Industrie, beispielsweise der Autobauer. Durch Formoptimierung entstanden leichtere und dabei gleichzeitig haltbarere Komponenten. Anfangs waren dazu komplexe Programme und erfahrene Programmierer notwendig. Durch ein vertieftes Verständnis der mechanischen Zusammenhänge konnten Mattheck und Kollegen inzwischen zumindest für einfache Anwendungen auf Computerprogramme verzichten und stattdessen optimierte Formen durch einfache Denkwerkzeuge entwickeln. Mit der „Methode der Zugdreiecke“, einer rein graphischen Methode zum Abbau von Kerbspannungen, können potenzielle Bruchstellen entschärft werden. Das Ergebnis ist eine Universalform der Natur, die den Bachkiesel genauso beschreibt wie die Steilküste, den Knochen und die Bäume. Es zeigte sich, dass diese Universalform sich auch in der unbelebten Natur durch Deformation einstellt oder Erosion.

Inzwischen optimieren viele Industrieunternehmen ihre Bauteile mit Mattheck’s Denkwerkzeugen. Es gibt dazu bereits eine VDI-Richtlinie 6224, Bionische Optimierung.

Umgekehrt ermöglichen diese Denkwerkzeuge ein neues Verständnis auch der Bäume, ohne auf komplizierte Formeln zurückgreifen zu müssen. „Die neuen Denkwerkzeuge wenden wir erstmals auf alle Teile des Baumes und seiner Umgebung an“, so Professor Mattheck. „Jetzt sprechen die Entwickler der großen Maschinenbaukonzerne und die Baumpfleger eine gemeinsame mechanische Sprache: eine standesübergreifende Volksmechanik.“

Ein Vierteljahrhundert Baumforschung der Abteilung Biomechanik des KIT ist in der Enzyklopädie des Visual Tree Assessment „Die Körpersprache der Bäume“ von Claus Mattheck, Klaus Bethge und Karlheinz Weber zusammengefasst.

Weitere Details zum Buch und bibliographische Angaben >>

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Presse // 17. April 2014

Der Geldautomat schlägt zurück

Der unscheinbare, aber wehrhafte Bombardierkäfer inspirierte Forscher der ETH-Zürich dazu, eine Schutzfolie zu entwickeln, die bei Zerstörung heißen Schaum verspritzt. Damit könnten sich Geldautomaten wirksam und kostengünstig schützen lassen.

Der Bombardierkäfer stellt seinen »Sprengstoff« bei Bedarf selbst her. In einer Reaktionskammer am Hinterteil werden zwei getrennt lagernde Chemikalien vermischt und mit Hilfe von Enzymen zur Explosion gebracht.
Davon inspiriert entwickelten die Forscher einen chemischen Abwehrmechanismus, der Vandalismus verhindern soll – eine „selbstverteidigende“ Oberfläche. Professor Wendelin Jan Stark und sein Team vom ETH-Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften haben dazu das Prinzip der getrennt lagernden Chemikalien, die im Bedarfsfall vermischt und zur Explosion gebracht werden, auf eine Kunststoff-Folie mit Wabenmuster übertragen. Die Hohlräume dieser Waben füllen die Forscher mit einer der zwei Chemikalien Wasserstoffperoxid oder Mangandioxid und kleben die Folien aufeinander. Bei einem Stoß oder einer Beschädigung der Folie zerbricht die Trennschicht und Wasserstoffperoxid und Mangandioxid mischen sich. Es kommt zu einer ziemlich heftigen Reaktion, bei der Wasserdampf, Sauerstoff und Wärme produziert werden. Damit könnte man vor Vandalismus abschrecken oder wertvolle Güter schützen
Im Vergleich zum Käfer sei das Resultat der Reaktion in der Folie eher ein Schaum als ein Spray, schreiben die Forscher. Dies zeigen Filmaufnahmen in Zeitlupe. Auf Infrarotbildern ist zu sehen, dass der Schaum 80 Grad heiß wird.

Aus Sicht der Forscher eignet sich ihre Folie besonders gut für den Schutz von Geldautomaten oder auch Geldtransporten. In den Geldautomaten lagern die Banknoten in Kassetten, die regelmäßig ausgetauscht werden. Und Geldautomaten sind offenbar für Menschen mit krimineller Energie und akutem Geldbedarf extrem interessant. Im ersten Halbjahr 2013 wurden in Europa über 1.000 Angriffe auf Geldautomaten gemeldet, wobei ein Verlust von zehn Millionen Euro entstand.
Es lohnt sich also, diese begehrten Objekte zu schützen. Es gibt bereits Schutzvorrichtungen, mit denen Geldräuber und Geldscheine mit Farbe besprüht werden können. Doch das sind mechanische Systeme. „Ein Motörchen wird in Gang gesetzt, wenn es von einem Sensor einen Impuls erhält. Das braucht Strom, ist störanfällig und teuer“, sagt Stark. Ziel seiner Forschungsgruppe sei dagegen, komplizierte Regeltechnik durch smarte Materialien zu ersetzen.

Die Forscher präparierten für den Schutz von Geldkassetten die Folie aus Wasserstoffperoxid und Mangandioxid zusätzlich mit einem Farbstoff und in Nanopartikel gehüllte DNA. Wird jetzt die Folie zerstört, so tritt mit dem heißen Schaum auch der Farbstoff aus und entwertet das Geld. Durch die ebenfalls freigesetzten DNA-Nanopartikel sind die Geldscheine zudem biologisch markiert, so dass sich ihr Weg zurückverfolgen lässt.

Die Kosten für dieses an Fünf-Euro-Banknoten erfolgreich ausprobierte Sicherheitskonzept halten sich in Grenzen. Professor Stark rechnet mit einem Preis von gut 40 Dollar, also 28,85 Euro pro Quadratmeter Folie.

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Presse // 4. April 2014

BIOKON auf der Hannover Messe

Besuchen Sie BIOKON auf der Hannover Messe. Vom 7. bis zum 11. April 2014 werden auf dem Bionik-Stand bei der weltweit wichtigsten Industriemesse zukunftsfähige bionische Innovationen präsentiert. Sie finden den Stand mit der Nummer A 01 in der Innovationshalle 2 „Research and Technology“.

BIOKON-Experten präsentieren Struktur- und Topologieoptimierungen für ressourceneffiziente Leichtbaulösungen in der Automobilindustrie und im Maschinenbau, bionische Oberflächenbeschichtungen für die Reibungsminimierung und damit verbundene Treibstoffeinsparungen bei Schiffen, drahtlose Hightech-Unterwasserkommunikation, bionische Windrad-und Propellerkonzepte und vieles andere mehr.

Als Mitaussteller auf dem Bionik-Gemeinschaftsstand sind folgende BIOKON-Mitglieder mit Exponaten vertreten:

  • Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung
  • EvoLogics GmbH
  • Fraunhofer UMSICHT
  • Bionik-Innovations-Centrum der Hochschule Bremen
  • Karlsruher Institut für Technologie, AG Prof. Mattheck (Institut für Angewandte Materialien)
  • TU Berlin, AG Prof. Rechenberg (Fachgebiet Bionik und Evolutionstechnik)
  • sachs engineering GmbH
  • Universität Bonn, AG Prof. Barthlott (Nees-Institut)
  • Westfälische Hochschule Bocholt

Wir freuen uns auf Ihren Besuch – Ihre kostenlose Eintrittskarte senden wir Ihnen auf Anfrage per E-Mail gern zu.

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