Aus der Trickkiste der Pflanzen

Ingo Burgert vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung erhält Preis beim BMBF-Ideenwettbewerb "Bionik - Innovationen aus der Natur"

2. Juli 2007

Wir können noch viel von der Natur lernen - nur was und wie, ist die schwierige Frage. Am Ideenwettbewerb "BIONIK - Innovationen aus der Natur" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) hatten sich über 150 Forscherteams mit Ideenskizzen beteiligt. In der ersten Auswahlstufe hatte ein Expertengremium 20 Vorhaben ausgewählt, die für die Erstellung von Machbarkeitsstudien vom BMBF gefördert wurden. Aus diesen wurden am 20. Juni 2007 die sechs besten mit einem Fördergeld von insgesamt 3 Millionen Euro ausgezeichnet. Mit seiner Idee, die Struktur von Pflanzenzellwänden für neue Faserverbundwerkstoffe zu nutzen, gehörte das Team um Ingo Burgert vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung zu den sechs Preisträgern. Die Wissenschaftler kopieren mit Nanopartikeln feine Arme in den Zellwänden, die dort weiche und steife Komponenten miteinander verbinden. So konnten sie bereits in ersten Tests herkömmliche Verbundwerkstoffe verbessern.

Lehrmeister Natur: Das Modell der Zellwand zeigt die Hemizellulosen (weiß) als Teil der weichen Matrix (hell orange), die wie kleine Arme an die steifen Zellulosefibrillen (dunkel orange) angekoppelt sind.

Die feinen Zellulosefibrillen einer Pflanze haben einen Durchmesser von nur wenigen Nanometern - winzige Bruchteile eines menschlichen Haars - und machen die Pflanzenzelle trotzdem stabil und gleichzeitig flexibel. Bäume können so über 100 Meter hoch werden und trotz ständiger Biegung mehrere tausend Jahre alt. Aber wie schafft das ein winziger Nanoverbund? Ingo Burgert leitet die Arbeitsgruppe Pflanzliche Biomaterialen am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung und geht dieser Frage nach. Seine Versuche, die molekularen Geheimnisse von Pflanzenstrukturen nutzbar zu machen, werden nun durch das Preisgeld des Ideenwettbewerbs "BIONIK - Innovationen aus der Natur" unterstützt. "Wir wollen herausfinden, wie Zellulosefibrillen und Matrixsubstanzen zusammenarbeiten und was sie bewirken", sagt Burgert - die Forscher schauen sozusagen in die molekulare Trickkiste.

In Mikrozugversuchen haben die Pflanzen bereits ihr mechanisches Können bewiesen. Ein Blick ins Rasterelektronenmikroskop offenbart, was Pflanzen anders machen: sie passen nicht nur die äußere Form des Organismus an, sondern verändern auch individuell die molekularen Strukturen. Eine wichtiges Element ihrer Anpassungsfähigkeit sind die Zellwände. "Die Pflanzenzellwände sind nur zum Teil starr. In der Wand sind kleine steife Zellulosefibrillen in ein Netz aus weichen Stoffen, wie zum Beispiel Hemizellulosen, Pektin oder Lignin, eingebettet", so Burgert. Diese komplexe Matrix aus Substanzen um die feinen Zellulose-Stränge macht die Wände gleichzeitig steif und zäh.

Die Forscher haben entschlüsselt, wie die einzelnen Bestandteile im Verbund ineinandergreifen. "Insbesondere Hemizellulose spielt dabei eine wichtige Rolle", erklärt Burgert: "Wie ein Verbindungsstück ist ein Teil der Hemizellulosen an die Zellulose-Oberfläche gebunden, während ein anderer Teil wie ein Arm in die Matrix hineinragt." Diesen Trick hat das Forscherteam mit einem einfachen Modellsystem kopiert: Sie tunkten Glasfasern in eine Lösung, die Nanopartikel enthielt. Die Nanopartikel, die die Hemizellulose imitieren sollen, haben sich dadurch auf den Fasern abgesetzt. Anschließend tauchten die Wissenschaftler die Fasern mit und ohne Nanopartikel-Schicht in eine Matrix aus Kunstharz. Für Zugtests wurden nun diese Proben in eine Mikrozugbühne eingespannt und an ihnen gezogen, bis sich die Fasern innen aus dem Harz lösten oder einfach ganz rissen. "Die Wirkung der Modifizierung war erstaunlich", sagt Burgert: "Während 8 von 18 unbehandelten Fasern einfach aus dem Harz herausgezogen wurden, gelang dies nur bei einer von 16 Proben mit graduellem Übergang, also mit Nanopartikeln."

Die Wissenschaftler untersuchten aber auch Glasfaserverbund-Stäbe, also Bündel aus Glasfasern. Dafür stellten sie aus 28 Fasersträngen ganze Stäbe her, die entweder keine Nanopartikel im Übergang zwischen Fasern und Harz-Matrix hatten, ungleichmäßig angeordnete Partikel oder komplett gleichmäßig verteilte Partikel. "Die Proben mit graduellem Nano-Übergang waren den unbehandelten in der Biegefestigkeit überlegen", so Burgert: "Bei den Schwingungsuntersuchungen zeigten die Gradientenproben mit einer Grenzschicht aus Nanopartikeln eine bessere Dämpfung als die Proben mit gleichmäßig verteilten Nanopartikeln."

Das Modell der Nanopartikel war sehr stark vereinfacht. Mit dem Forschungsgeld will Burgert das Vorbild Zellwand noch feiner kopieren. Er rechnet fest damit, dass künstliche Werkstoffe durch "molekulares finetuning" in Zukunft individuell für ihren Einsatzbereich optimiert werden können.
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