Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Muschelfasern für die Bodenhaftung

05.03.2010
Forscher am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam haben gemeinsam mit Kollegen aus Santa Barbara und Chicago herausgefunden, wie Muscheln ihre Haftfasern vor Abrieb schützen.

Dafür verantwortlich ist eine Schutzschicht, die trotz ihrer Härte dennoch enorm dehnbar bleibt. Die Forscher entdeckten, dass die Proteinmatrix in dieser Schicht durch einzelne Eisenatome quervernetzt und damit verstärkt wird. Eine lokale Anhäufung dieser Vernetzungen bildet harte Kügelchen innerhalb der weichen und dehnbaren Schutzschicht. Dieses spezielle Design könnte neuartige abriebresistente, aber dehnbare Beschichtungen inspirieren. (Science, 4. März 2010)

Muscheln haben sich in faszinierender Weise an eine besondere Form von Leben und Ernährung angepasst. Meist sind sie an Steinen oder Felsen festgeklebt, wo sie Nahrung aus dem Wasser filtern. Sie gedeihen gerade an den felsigen Küstenregionen und das trotz der extremen Umweltbedingungen. Einen großen Anteil daran hat die evolutionäre Entwicklung der Byssus, auch Muschelseide genannt.

Meermuscheln benutzen Muschelseide - ein Bündel von stabilen und dehnbaren Fasern - um sich an die felsigen Küstenstreifen anzuheften, an die die Wellen branden. Die dehnbaren Fasern werden von einer dünnen, harten Oberhaut mit einem biologischen Polymer bedeckt, die an Sandpapier erinnert. Obwohl so hart wie etwa Epoxid, ist diese knubblige Oberhaut dennoch erstaunlich strapazierbar: Sogar bei hundertprozentiger Dehnung reißt oder bricht sie nicht. Die einzelnen Stränge der Byssus werden von der Muschel in einem Prozess, der dem Spritzgussverfahren ähnelt, gebildet. Sie sind dafür verantwortlich, dass sich die ungeheure Energie der Brandungswellen verteilt, und schützen die Muschel vor Abriebschäden durch Gestein und Geröll in den Wassermassen.

Außergewöhnliche Kombination von Härte und Dehnbarkeit

"Schutzbeschichtungen sind extrem wichtig für die Haltbarkeit von Materialien und Geräten. Betrachtet man die Kombination von Härte und Dehnbarkeit, so gibt es nur wenige Polymere oder Zusammensetzungen, die diese Materialeigenschaften vereinen. Zu verstehen, wie ein flexibles Substrat vor äußeren Einflüssen geschützt werden kann, wird heute immer wichtiger", erklärt Matthew Harrington, Humboldt-Stipendiat am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Die Oberhaut der "Muschelseide" hat eine sehr knubblige Anmutung. Sie entsteht durch weniger als ein Tausendstel Millimeter große Körnchen (Granula), die in eine deutlich weichere Matrix eingebettet sind. Wird die Matrix gedehnt, bilden sich winzige Hohlräume, die womöglich größere Risse und damit einen generellen Materialdefekt verhindern. Dabei spielen die hohe Konzentration von Eisen-Ionen und die ungewöhnliche Veränderung der Aminosäure Tyrosin, gemeinhin bekannt als L-DOPA, eine entscheidende Rolle.

L-DOPA findet man in hohen Konzentrationen in der Schutzschicht dieser Fasern, als Bestandteils des Muschelfußproteins (mfp-1). L-DOPA verbindet sich leicht mit Übergangsmetall-Ionen wie Eisen und unterscheidet sich dadurch von typischen Aminosäuren. Admir Masic, beteiligter Wissenschaftler erklärt: "Verbinden sich zwei bis drei L-DOPA mit nur einem einzigen Eisen-Ion, bilden sie einen unglaublich stabilen Komplex, der für die Vernetzung von Strukturproteinen eingesetzt werden kann." Diese Metallproteinkomplexe haben eine hohe Bruchfestigkeit und sind beinahe halb so stabil wie kovalente Bindungen). Aber im Gegensatz zu kovalenten Bindungen können diese Brüche rückgängig gemacht werden. Das macht sie ideal für die Bildung von Vernetzungen, die bei Belastung notfalls aufbrechen, um das Material vor größeren Beschädigungen zu schützen.

Muschelhaut wird durch DOPA-Eisen-Komplexe stabilisiert

Die Forscher benutzten die konfokale Raman-Spektroskopie, um die chemische Zusammensetzung der Oberhaut zu erforschen. Darunter versteht man eine spektroskopische Untersuchung der inelastischen Streuung von Licht an Molekülen oder Festkörpern, die unter anderem für die Untersuchung von Materialeigenschaften eingesetzt wird. Mit dieser Methode konnten die Wissenschaftler den ersten direkten Beweis liefern, dass die Haut aus einem polymeren Proteingerüst besteht, welches durch DOPA-Eisen-Komplexe stabilisiert wird. Darüber hinaus entdeckten sie, dass die Verteilung von DOPA-Eisen-Komplexen in den Bereichen niedrig ist, in denen es granuläre Einschlüsse gibt, bzw. dort hoch ist, wo diese nicht existieren. Zusammen mit früheren mechanischen Beobachtungen lassen diese Ergebnisse vermuten, dass die eng vernetzten Granulate als stabilisierende Einschlüsse fungieren, während die weniger vernetzte Matrix jederzeit aufgebrochen werden kann und sich somit dehnen lässt.

"Die Natur hat eine elegante Methode für ein Problem entwickelt, mit der Ingenieure noch immer kämpfen: Sie hat Eigenschaften, die einen Abrieb verhindern und dennoch eine hohe Dehnbarkeit gewährleisten, in einem Material vereinigt", sagt Peter Fratzl, Direktor der Abteilung Biomaterialien am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung und ebenfalls an dieser Forschung beteiligt. Offensichtlich erreicht die Schutzschicht der Muschelseide dies durch eine sorgfältige, maßgeschneiderte Verbindung von Metall und Protein. "Es ist denkbar, dass ähnliche Strategien auf technisch entwickelte Polymerschutzschichten angewendet werden können."

Iron-clad fibers: a metal-based biological strategy for hard flexible coatings
Matthew J. Harrington, Admir Masic, Niels Holten-Andersen, J. Herbert Waite,
and Peter Fratzl
Science, 4. März 2010
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Matthew Harrington
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Wissenschaftspark Potsdam-Golm, 14424 Potsdam
Tel.: 0331/567-9429
Fax: 0331/567-9402
Email: Matt.Harrington@mpikg.mpg.de
Katja Schulze
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Wissenschaftspark Potsdam-Golm, 14424 Potsdam
Tel.: 0331/567-9203
Fax: 0331/567-9202
Email: katja.schulze@mpikg.mpg.de

Dr. Harald Rösch | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpikg.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Krebsdiagnostik: Pinkeln statt Piksen?
25.05.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
25.05.2018 | Technische Universität Dresden

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: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics