Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gel gibt künstlichen Muskeln Kraft

26.01.2007
Forscher konstruieren aus einem neuen Werkstoff künstliche Muskeln und Greifarme

Für einen Sportler sind gallertartige Muskeln kein Grund zur Freude - für Materialwissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der amerikanischen Bell Laboratories schon: Sie haben aus einem Gel und Siliziumnadeln einen Werkstoff entwickelt, der wie ein Muskel arbeitet. Aus dem aktiven Material haben sie auch nanometergroße Greifarme konstruiert. Sie griffen dabei auf ein einfaches, aber äußerst effektives Prinzip der Natur zurück. Sie nutzten nämlich die Fähigkeit von Gelen, Wasser aufzunehmen und abzugeben und dabei mechanische Arbeit zu verrichten - ganz so, wie es auch Pflanzen können (Science, 26. Januar 2007).


Das aktive Hybridmaterial HAIRS-1 bildet einen künstlichen Muskel, der sich hier von links nach rechts bewegt. Solche aktiven biomimetischen Nanosysteme könnten in Zukunft als Mikroaktuatoren oder in der Mikrofluidik Bedeutung erhalten. Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung


Der aktive Hybridwerkstoff HAIRS-2 bildet hier einen vierarmigen Greifer. Die Wissenschaftler stellen sich vor, den neuen Werkstoff zum Beispiel für den Bau von Mikrogreifern und anderen Bewegungssystemen einzusetzen, welche durch Veränderungen der Luftfeuchtigkeit angetrieben werden. Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Manche Blüten öffnen sich bei Tag scheinbar wie von selbst und schließen sich, sobald es wieder dunkel wird. Es scheint, als hätten sie Muskeln. Tatsächlich bewegen aber gelartige Substanzen die Blütenblätter, indem sie abhängig von der Luftfeuchtigkeit schwellen oder schrumpfen. In der Natur bedienen sich nicht nur Blüten dieses hydraulischen Mechanismus, sondern auch Tannenzapfen oder auch der fleischfressende Sonnentau.

Die Wissenschaftler nutzten diesen Mechanismus nun für neuartige Werkstoffe, genannt HAIRS (hydrogel high-aspect-ratio rigid structures) - Hybridsysteme aus nanometergroßen Siliziumnadeln und einem Hydrogel. "Das Besondere des Hybridwerkstoffs ist die Kombination steifer und unflexibler Körper, der Siliziumnadeln, mit elastischen und weichen Verbindungselementen, dem Gel", sagt Prof. Peter Fratzl, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Dadurch entsteht ein aktiver Werkstoff, also ein Stoff der Arbeit verrichten kann. Je nach Luftfeuchtigkeit verändert das Gel nämlich seine Oberfläche - es schrumpft oder es schwillt an und verändert dadurch die Orientierung der Siliziumnadeln. Mit diesem einfachen Prinzip stellten die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Werkstoffe her: HAIRS-1 und HAIRS-2.

... mehr zu:
»Gel »HAIRS-1 »HAIRS-2 »Muskel »Nadel »Siliziumnadel

Bei HAIRS-1 sind die Siliziumnadeln im Gel verteilt und parallel ausgerichtet. Schrumpft das Gel zusammen, zieht es an den Siliziumnadeln und kippt sie zur Seite. Das Material verhält sich wie ein künstlicher Muskel. Bei HAIRS-1 sind die Siliziumnadeln nur in das Gel eingebettet, dagegen sind bei HAIRS-2 die Nadeln zusätzlich fest auf einer Siliziumoberfläche verankert. Mit folgender Auswirkung: "Im Gegensatz zu HAIRS-1 können die Siliziumnadeln bei HAIRS-2 nicht kippen, wenn das Gel schrumpft", erklärt Fratzl. Bei HAIRS-2 müssen sich die Nadeln verbiegen - jeweils vier der benachbarten Nadeln biegen sich aufeinander zu und bilden einen vierarmigen Greifer.

Diese spezielle Anordnung ergibt sich, da beim Schrumpfen des Gels Kapillarkräfte auftreten. Das Gel verhält sich wie Wasser auf einer Oberfläche - es strebt danach, seine Oberflächenspannung zu verringern. Deshalb sitzt jeweils ein Geltröpfchen zwischen vier Nadeln, die sozusagen die Eckpfeiler bilden. Schrumpft das Gel nun, zieht es die Nadeln an den Ecken nach innen, es entsteht der vierarmige Greifer. Die Greifbewegung der Nadeln ist komplett reversibel - wird das Gel wieder feucht, dehnt es sich aus und die Nadeln bewegen sich in ihre aufrechte Position zurück.

Um die Hybridwerkstoffe herzustellen, ätzten die Wissenschaftler zuerst einen Wald aus Siliziumstämmen in eine Siliziumscheibe. Die aufrechten Nadeln aus Silizium sind anschließend nur hundert bis dreihundert Nanometer dick und gerade mal fünf bis acht Mikrometer lang. Sie bedecken die Fläche der Siliziumscheibe in einem regelmäßigen Abstand von wenigen Mikrometern. Anschließend füllten die Wissenschaftler diese kammartige Struktur mit einem Gel, das sich chemisch fest an die Siliziumnadeln bindet. Für HAIRS-1 brechen die Wissenschaftler die Siliziumnadeln schließlich noch von ihrem Substrat ab - die Nadeln besitzen dann zwar eine geordnete Struktur, werden aber nur durch das Gel fixiert.

Das mechanische Prinzip, nach dem HAIRS-1 arbeitet, erkannte bereits der amerikanischen Ingenieur und Architekt Richard Buckminster-Fuller (1895-1983). Buckminster-Fuller konstruierte Gebäude aus steifen Stangen mit elastischen Bändern. Solche Strukturen sind flexibel und trotzdem stabil: Sie halten Wind und großen Schneelasten stand. Er führte für dieses Prinzip den Begriff Tensegrität (aus tension für Spannung und integrity für Unversehrtheit oder Festigkeit) ein. Biologen erkannten später, dass auch das mechanische Verhalten von Zellen dem Prinzip der Tensegrität folgt. Der neue Hybridwerkstoff ist aber der erste aktive Werkstoff, der diese der Natur abgeschaute Methode nutzt. "Wir haben uns von der Biologie zu diesem aktiven Werkstoff inspirieren lassen", sagt Fratzl: "Er könnte für Mikroaktuatoren oder in der Mikrofluidik eine Anwendung finden."

Originalveröffentlichung:

Alexander Sidorenko, Tom Krupenkin, Ashley Taylor, Peter Fratzl, Joanna Aizenberg
Reversible Switching of Hydrogel-Actuated Nanostructures into Complex Micropatterns

Science, 26. Januar 2007

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Gel HAIRS-1 HAIRS-2 Muskel Nadel Siliziumnadel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der Evolutionsvorteil der Strandschnecke
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

nachricht Mobile Goldfinger
28.03.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit