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Von Insekten inspiriertes Material vereint Festigkeit und Flexibilität
Viele technische Bauteile kombinieren starre und flexible Werkstoffe, was Herstellung, Reparatur und spätere Trennung der Bestandteile erschweren kann. Ein bioinspiriertes Verfahren zeigt nun, wie sich das Biopolymer Chitosan mit kleinen Mengen verschiedener Metallionen lokal auf unterschiedliche mechanische Eigenschaften einstellen lässt, sodass durchgehende Strukturen mehrere Funktionen mit nur einem Grundmaterial übernehmen könnten.
Barcelona (Spanien). Insekten kommen mit einem erstaunlich sparsamen Materialbaukasten aus, denn ihr Außenskelett besteht vor allem aus Chitin und erfüllt trotzdem sehr unterschiedliche Aufgaben. Je nach Körperregion entstehen daraus starre Platten, bewegliche Gelenke und belastbare Übergänge, während technische Produkte solche Gegensätze häufig durch miteinander verbundene Werkstoffe erzeugen.
Chitosan ist eine vom Chitin abgeleitete und erneuerbare Polymergrundlage, die sich chemisch bearbeiten lässt, ohne ihr grundlegendes Gerüst auszutauschen. Die neue Arbeit nutzt deshalb keine verschiedenen Kunststoffe oder Verbundlagen, sondern verändert die Wechselwirkungen innerhalb desselben Polymers durch zweiwertige Metallionen und eine nachträgliche Neutralisation.
Forscher des Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC) um Javier G. Fernández haben Chitosan dafür mit Kupfer-, Zink- oder Nickelionen versetzt und anschließend die Aminogruppen des Polymers als Bindungsstellen aktiviert. Die Wahl des Metalls verschob die mechanischen Eigenschaften in unterschiedliche Richtungen, obwohl die gemeinsame Chitosanbasis erhalten blieb.
Zink erhöhte im trockenen Zustand Festigkeit und Steifigkeit, während Kupfer das Material nachgiebiger und dehnbarer machte und Nickel zunächst zwischen diesen beiden Profilen lag. Damit lässt sich ein und dieselbe Polymergrundlage je nach zugesetztem Metall auf unterschiedliche mechanische Aufgaben abstimmen.
„Die Natur verändert regelmäßig die lokalen Eigenschaften eines einzigen Materials, um Effizienz zu gewinnen“, erklärt Javier G. Fernández.
Bei Kontakt mit Wasser schwächten sich unverändertes Chitosan sowie die Kupfer- und Zinkvarianten ab, die Nickelvariante reagierte dagegen in die entgegengesetzte Richtung. Nach dem Eintauchen stiegen bei ihr Modul und Festigkeit, was die Studie mit metallabhängigen Koordinationszuständen und einer unterschiedlichen Verteilung von Wasser im Polymer verbindet.
Für biobasierte Werkstoffe ist diese Reaktion interessant, weil Feuchtigkeit ihre mechanischen Eigenschaften häufig verändert und damit mögliche Anwendungen begrenzen kann. Die Arbeit zeigt bislang jedoch nur das Materialprinzip, nicht dessen Dauerhaltbarkeit, weshalb die Belastbarkeit unter wiederholter Bewegung noch geprüft werden muss.
Als Funktionsnachweis fertigte das Team eine fächerförmige, von Origami inspirierte Struktur, in der steifere nickelhaltige und flexiblere unveränderte Bereiche in einer durchgehenden Chitosanfolie nebeneinanderlagen. Das Objekt ließ sich dadurch gezielt falten und entfalten, ohne separate Bauteile miteinander zu verkleben, zu vernähen oder anschließend mechanisch zu verbinden.
„Wir wollten an einem einzigen Objekt zeigen, dass es sich kontrolliert ein- und ausfalten lässt, ähnlich wie ein Insektenflügel, und zwar ohne Klebstoff, Nähte oder separate Teile“, sagt Akshayakumar Kompa vom Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC).