Materialforschung
Zäher als Stahl

Bioniker schauen der Natur auf die Finger und nutzen ihre Tricks für neue technische Produkte. Einige Forscher nahmen jetzt das Spinnennetz unter die Lupe - und machten die feinen Spinnfäden um ein Vielfaches reißfester als Stahl. Von der Kombination aus Reißfestigkeit und geringem Gewicht versprechen sich Materialforscher eine Vielzahl von Anwendungen.
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HEIDELBERG. Wer ein Spinnennetz mit einem lässigen Handstreich hinwegfegt, kann es kaum glauben: Ein Spinnfaden mit der Querschnittsfläche eines Centstückes könnte mehrere Kleinwagen tragen, denn der Naturstoff ist ebenso reißfest wie Stahl. Dass sich ein Spinnennetz so leicht zerstören lässt, liegt nur an der Zartheit seiner Fäden: nur einige tausendstel Millimeter messen die Fasern - ein menschliches Haar ist etwa zehnmal dicker.

Was die Spinnenseide für Materialforscher attraktiv macht, ist die Kombination aus Reißfestigkeit und geringem Gewicht. Der Naturstoff ist viel leichter als Stahl, leistet also bezogen auf sein Gewicht deutlich mehr als der Werkstoff. Materialforscher um Mato Knez vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle an der Saale setzen jetzt noch eins drauf: Indem sie Metallatome in natürliche Spinnfäden einlagerten, haben sie deren Zugfestigkeit verdreifacht.

Mit ihrem Verfahren verdoppelten sie gleichzeitig die Dehnbarkeit der Naturfäden. Beides zusammen macht das Material äußerst zäh. „Die Fasern können nun zehnmal soviel Energie aufnehmen, bevor sie reißen, wie natürliche Spinnenfäden“, berichtet Knez. Ein derart strapazierfähiges und dabei leichtes Material könne vielleicht einmal als Bergsteigerseil oder Aufzugseil Verwendung finden. Letzteres würde wegen seiner großen Länge einiges an Gewicht gegenüber einem Stahlseil und damit Energie einsparen, meint der Chemiker.

Die Idee, weiche Materialien durch den Einbau von Metallatomen steifer und härter zu machen, stammt von der Natur: In den Kiefern von Blattschneideameisen oder Heuschrecken finden sich Metalle wie Zink, Mangan, Kalzium oder Kupfer. Knez und seine Kollegen haben diese Erfindung nun aufgegriffen und in mehreren Versuchen entweder Titan-, Aluminium- oder Zinkatome in Spinnfäden einer gewöhnlichen Kreuzspinne eingebaut. Laut den Forschern verstärkte jedes der drei Metalle die Spinnenseide.

Um die Atome in die Fäden zu bringen, nutzten sie eine Technik namens Atomlagenabscheidung: Eine Metallverbindung in Gasform wird abwechselnd mit Wasserdampf in eine Vakuumkammer eingelassen, wo beide sich auf der Oberfläche eines Objekts anlagern. Die Metallverbindung und das Wasser reagieren miteinander, so dass eine vollkommen ebene, nur ein Molekül dicke Schicht von Metalloxid entsteht.

Auch auf der Spinnenseide setzten sich dünne Schichten aus Aluminium-, Zink- oder Titanoxiden ab. Doch diese Hüllen seien nicht für die große Zähigkeit der behandelten Spinnenseide verantwortlich, schreiben die Forscher. Denn die äußere Hülle werde schon bei kleinen Dehnungen brüchig und falle von der Seide ab. Was den Fäden ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften verlieh, offenbarten schließlich Aufnahmen mit dem Elektronenmikroskop und Untersuchungen mit Röntgenstrahlen: Ein kleiner Teil der Metallverbindungen war während der Beschichtungsprozedur in die Seide gelangt.

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