Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biologischer Glaskäfig aus der Tiefsee

08.07.2005


Deutsch-amerikanisches Forscherteam entschlüsselt Bauprinzipien, nach denen das gläserne Skelett von Glasschwämmen konstruiert ist


Skelett des Tiefseeschwamms Euplectella sp. - auch "Venusblumenkörbchen" genannt. Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung


Glasfasern haben einen schichtartigen Aufbau und sind durch Zement zu dickeren Glaskonstruktionen zusammengefügt. Bild: UCSB (University of California at Santa Barbara)



Der Glasschwamm Euplectella zeigt, welch außergewöhnliche Materialien die Natur aus einfachsten Rohstoffen herstellen kann. Der in Meerestiefen von 40 bis zu 5000 Metern lebende Gießkannenschwamm besitzt ein käfigartiges gläsernes Skelett. Wissenschaftler der Bell Labs (USA), der Universität Kalifornien und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam haben jetzt herausgefunden, warum diese Konstruktion aus Bio-Glasfasern praktisch unzerbrechlich ist: Die Fasern sind über viele Größenordnungen und insgesamt sieben hierarchische Ebenen optimal miteinander verknüpft - ein Bauprinzip der Natur, das für die heutige Technik von großem Interesse ist. Das Wissenschaftsmagazin "Science" stellt diese Forschungsergebnisse als Titelgeschichte in seiner neuen Ausgabe vor (Science, 8. Juli 2005).

... mehr zu:
»ABB »Euplectella »Faser »Käfig »Schwamm »Skelett »Tiefsee


Der Schwamm ähnelt einem weißen Kolben voll feiner Löcher. Durch diese können Larven einer bestimmten Garnelenart in sein Inneres gelangen. Meist siedeln sich dort Pärchen an, die dann rasch zu groß werden für die Öffnungen ihrer Behausung. Das Krabbenpaar verbringt deshalb sein ganzes Leben in dem Schwamm - in Japan wird er daher auch "Gefängnis der Ehe" genannt und gilt als beliebtes Hochzeitsgeschenk.

Doch wie gelingt es dem Glasschwamm, den beträchtlichen mechanischen Beanspruchungen in der Tiefsee zu widerstehen? So haben die kleinen Krabben beachtliche Zangen und auch andere äußere Einflüsse sollten leicht zum Bruch der filigranen Glasstruktur führen. Tatsächlich ist der Käfig aber praktisch unzerbrechlich.

Die Wissenschaftler haben diese Strukturen vom Nanometer- bis zum Zentimeterbereich untersucht: Hierbei förderten sie zutage, dass dieser Käfig aus mindestens sieben hierarchischen Stufen aufgebaut ist. Das Skelett selbst besteht aus Glasfasern, von denen bereits bekannt ist, dass sie Licht ausgezeichnet leiten können. Wie aber lässt sich aus Glasfasern ein bruchfester Käfig bauen?

Eine erste Antwort fand sich im Inneren der Fasern, die aus konzentrisch angeordneten Glasschichten mit wenigen Mikrometern Dicke aufgebaut sind (vgl. Abb. 2). Die Glaslamellen sind untereinander durch eine hauchdünne Klebeschicht aus organischer Matrix verbunden. Das Glas selbst entsteht offenbar durch das Aneinanderfügen von Silikat-Nanopartikeln, wie sich durch Ätzungen zeigen ließ. Nanopartikel, Lamellen und Fasern bilden die hierarchischen Ebenen 1-3.

Der Faseraufbau in Form eines Mikrolaminats ist ganz wesentlich für die Verringerung der Sprödigkeit des Glases. Risse und Kratzer, wie sie zum Beispiel durch die Zangen von Garnelen hervorgerufen werden können, führen daher nicht so leicht zum Bruch wie bei massivem Glas, denn Risse werden an den organischen Zwischenschichten abgelenkt und so am Ausbreiten gehindert.

Bündel aus einer Vielzahl von Fasern unterschiedlicher Dicke sind mit Glaszement zu starken Konstruktionsstäben verbunden (Ebene 4, s. Abb. 2). Diese Stäbe sind vertikal, horizontal und diagonal angeordnet und zu einem lockeren Netz verwoben (Ebene 5). Ihre Struktur ähnelt einer Fachwerkkonstruktion (s. Abb. 3). Deren genaue Analyse zeigt, dass die diagonalen Verstrebungen gerade ausreichen, um das Fachwerk gegen Scherung zu versteifen. Offenbar hat der Tiefseeschwamm hier wesentliche Ingenieurprinzipien vorweggenommen.

Zusätzlich ist die Struktur durch spiralförmige Rippen verstärkt, um ein Quetschen der Käfigstruktur zu erschweren (Ebene 6). Die letzte hierarchische Ebene ist die geschwungene Form des Käfigs selbst, der sich nach unten verjüngt, wo der Schwamm durch dünne Glasfäden im Meeresboden locker verankert ist.

Diese natürliche Konstruktion ist ein Lehrbuchbeispiel, wie sich mit spröden Materialien wie Glas bruchfeste Strukturen erzeugen lassen. Einzelne dieser Prinzipien sind in der Werkstoffwissenschaft, in der Mechanik und in der Architektur längst bekannt und werden auch eingesetzt. Die Faseranordnung von Euplectella ist sogar schon als Vorbild für architektonische Bauten verwendet worden.

Wirklich erstaunlich ist jedoch der Umstand, dass es dem Schwamm gelingt, eine ganze Reihe von mechanischen Konstruktionsprinzipien auf vielen Größenskalen vom Nanometer bis zum Zentimeter zu kombinieren und gleichzeitig einzusetzen. Ähnliches ist aus dem Bereich der Technik noch nicht bekannt und bedeutet einen neuen Impuls für die biomimetische Materialforschung.

Ein ganz wesentliches Geheimnis hat der Tiefseeschwamm Euplectella allerdings noch nicht preisgegeben: Es ist völlig unbekannt, wie ein so vergleichsweise primitiver Organismus ein derart komplexes und über viele hierarchische Stufen optimiertes Gebilde wie das Venusblumenkörbchen überhaupt hervorbringen kann.

Prof. Dr. Peter Fratzl | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpikg.mpg.de
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: ABB Euplectella Faser Käfig Schwamm Skelett Tiefsee

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Was läuft schief beim Noonan-Syndrom? – Grundlagen der neuronalen Fehlfunktion entdeckt
16.10.2017 | Leibniz-Institut für Neurobiologie

nachricht Keimfreie Bruteier: Neue Alternative zum gängigen Formaldehyd
16.10.2017 | Technische Universität Graz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

Im Focus: Smart sensors for efficient processes

Material defects in end products can quickly result in failures in many areas of industry, and have a massive impact on the safe use of their products. This is why, in the field of quality assurance, intelligent, nondestructive sensor systems play a key role. They allow testing components and parts in a rapid and cost-efficient manner without destroying the actual product or changing its surface. Experts from the Fraunhofer IZFP in Saarbrücken will be presenting two exhibits at the Blechexpo in Stuttgart from 7–10 November 2017 that allow fast, reliable, and automated characterization of materials and detection of defects (Hall 5, Booth 5306).

When quality testing uses time-consuming destructive test methods, it can result in enormous costs due to damaging or destroying the products. And given that...

Im Focus: Cold molecules on collision course

Using a new cooling technique MPQ scientists succeed at observing collisions in a dense beam of cold and slow dipolar molecules.

How do chemical reactions proceed at extremely low temperatures? The answer requires the investigation of molecular samples that are cold, dense, and slow at...

Im Focus: Kalte Moleküle auf Kollisionskurs

Mit einer neuen Kühlmethode gelingt Wissenschaftlern am MPQ die Beobachtung von Stößen in einem dichten Strahl aus kalten und langsamen dipolaren Molekülen.

Wie verlaufen chemische Reaktionen bei extrem tiefen Temperaturen? Um diese Frage zu beantworten, benötigt man molekulare Proben, die gleichzeitig kalt, dicht...

Im Focus: Astronomen entdecken ungewöhnliche spindelförmige Galaxien

Galaxien als majestätische, rotierende Sternscheiben? Nicht bei den spindelförmigen Galaxien, die von Athanasia Tsatsi (Max-Planck-Institut für Astronomie) und ihren Kollegen untersucht wurden. Mit Hilfe der CALIFA-Umfrage fanden die Astronomen heraus, dass diese schlanken Galaxien, die sich um ihre Längsachse drehen, weitaus häufiger sind als bisher angenommen. Mit den neuen Daten konnten die Astronomen außerdem ein Modell dafür entwickeln, wie die spindelförmigen Galaxien aus einer speziellen Art von Verschmelzung zweier Spiralgalaxien entstehen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Wenn die meisten Menschen an Galaxien denken, dürften sie an majestätische Spiralgalaxien wie die unserer Heimatgalaxie denken, der Milchstraße: Milliarden von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

bionection 2017 erstmals in Thüringen: Biotech-Spitzenforschung trifft in Jena auf Weltmarktführer

13.10.2017 | Veranstaltungen

Tagung „Energieeffiziente Abluftreinigung“ zeigt, wie man durch Luftreinhaltemaßnahmen profitieren kann

13.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

ESO-Teleskope beobachten erstes Licht einer Gravitationswellen-Quelle

16.10.2017 | Physik Astronomie

Was läuft schief beim Noonan-Syndrom? – Grundlagen der neuronalen Fehlfunktion entdeckt

16.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Gewebe mit Hilfe von Stammzellen regenerieren

16.10.2017 | Förderungen Preise