Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Vom Tabak zum Cyberholz

31.03.2015

Wissenschaftler der ETH Zürich bauten ein Thermometer, das mindestens hundertmal empfindlicher ist als bisherige Temperatursensoren. Es besteht aus einem biologisch-synthetischen Hybridmaterial mit Tabakzellen und Nanoröhrchen.

Seit jeher lässt sich die Menschheit von der Natur inspirieren, und sie ahmt diese nach, um neue Technologien zu entwickeln. Die Beispiele reichen vom Maschinenbau über die Pharmazie bis hin zu neuartigen Materialien. So sind Flugzeuge Vögeln nachempfunden, und viele Medikamente haben ihren Ursprung in pflanzlichen Wirkstoffen.

Forschende am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik gingen nun einen Schritt weiter: Um einen extrem empfindlichen Temperatursensor zu entwickeln, bedienten sie sich temperaturempfindlichen pflanzlichen Zellen. Allerdings ahmten sie nicht die Eigenschaften dieser Zellen nach, sondern entwickelten ein Hybridmaterial, das neben synthetischen Komponenten auch die pflanzlichen Zellen selbst enthält. «Wir lassen die Natur für uns arbeiten», fasst Chiara Daraio, Professorin für Mechanik und Materialien, den Ansatz zusammen.

So gelang es den Wissenschaftlern, den mit Abstand empfindlichsten Temperatursensor zu entwickeln, das heisst einen elektronischen Baustein, der seine Leitfähigkeit in Abhängigkeit mit der Temperatur ändert. «Bei keinem anderen Sensor führen so geringe Temperaturschwankungen zu so grossen Änderungen der Leitfähigkeit, unser Sensor reagiert mindestens hundertmal stärker als die besten existierenden Sensoren», sagt Raffaele Di Giacomo, Postdoc in der Gruppe von Daraio.

Wasser durch Nanoröhrchen ersetzt

Dass Pflanzen die ausserordentliche Fähigkeit haben, bereits sehr geringe Temperaturunterschiede zu erkennen und darauf mit Änderungen in der Leitfähigkeit ihrer Zellen zu reagieren, ist schon seit Jahrzehnten bekannt. Pflanzen sind dabei besser als jeder menschgemachte Sensor.

Di Giacomo experimentierte mit Tabakzellen in Zellkultur. «Wir stellten uns die Frage, wie wir diese Zellen in ein lebloses, trockenes Material überführen können, und zwar auf eine Weise, dass ihre temperatursensitiven Eigenschaften erhalten bleiben», sagt er.

Das Ziel erreichte der Wissenschaftler, indem er die Zellen in einem Medium wachsen liess, dass sehr kleine Röhrchen aus Kohlenstoff enthielt. Diese elektrisch leitenden «Carbon Nanotubes» bildeten ein Netzwerk zwischen den Tabakzellen und waren ausserdem in der Lage, deren Zellwand zu durchdringen. Als Di Giacomo die so kultivierten Zellen trocknete, erhielt er ein holzähnliches festes Material, das er Cyberholz nennt. Im Gegensatz zu Holz ist es wegen den Nanotubes elektrisch leitend, und interessanterweise ist diese Leitfähigkeit wie bei den lebenden Tabakzellen in Zellkultur temperaturabhängig und extrem empfindlich.

«Berührungsloser Touchscreen» und Wärmebildkameras

Wie Tests zeigten, kann dieser Cyberholz-Sensor warme Körper sogar auf Distanz erkennen, zum Beispiel eine Hand, die sich dem Sensor auf wenige Dutzend Zentimeter nähert. Die Leitfähigkeit des Sensors hängt dabei direkt von der Distanz der Hand zum Sensor ab.

Anwendungsmöglichkeiten für das Cyberholz gibt es nach Ansicht der Wissenschaftler viele. Sie denken etwa daran, einen «berührungsloser Touchscreen» zu entwickeln, der sich über Gesten steuern lässt. Die Gesten würden über mehrere Temperatursensoren erfasst werden. Ebenfalls möglich wären Wärmebildkameras oder Nachtsichtgeräte.

Geliermolekül Pektin in einer Schlüsselrolle

Die Wissenschaftler der ETH Zürich und ein Kollege der Universität Salerno, Italien, untersuchten nicht nur im Detail die Eigenschaften ihres neuen Materials, sondern auch dessen Wirkmechanismus. So fanden sie heraus, dass sowohl in den Tabakzellen in Kultur als auch im getrockneten Cyberholz sogenannten Pektinen sowie geladenen Atomen (Ionen) Schlüsselrollen zukommen. Pektine sind Zuckermoleküle, die in der Zellwand von Pflanzen vorkommen und sich zu einem Gel vernetzen können, wobei diese Vernetzung temperaturabhängig ist. In diesem Gel sind auch Kalzium- und Magnesium-Ionen vorhanden. «Mit zunehmenden Temperaturen nimmt die Vernetzung der Pektine ab, das Gel wird weicher, und die Ionen können sich freier bewegen», erklärt Di Giacomo. Als Folge davon leitet das Material bei höheren Temperaturen Strom besser.

Die Wissenschaftler haben den Sensor nun zum Patent angemeldet. In weiterer Arbeit entwickeln sie ihn nun weiter, so dass er nicht mit Pflanzenzellen, sondern im Wesentlichen nur mit Pektin und Ionen funktioniert. Auf diese Weise möchten sie einen beweglichen, lichtdurchlässigen und biokompatiblen Sensor mit derselben extrem hohen Temperatursensitivität bauen. Ein solcher könnte in beliebige Formen gebracht und kostengünstig hergestellt werden, worin die Forschenden ganz neue Anwendungsmöglichkeiten sehen, unter anderem in der Biomedizin und in günstigen Wärmebildkameras.

Literaturhinweis

Di Giacomo R, Daraio C, Maresca B: Plant nanobionic materials with a giant temperature response mediated by pectin-Ca2+. PNAS 2015, doi: 10.1073/pnas.1421020112

Fabio Bergamin | ETH Zürich
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Berichte zu: Distanz ETH Gel Ionen Leitfähigkeit Maschinenbau Nanotubes Pektin Sensor Tabak Temperaturen Temperatursensor Touchscreen Zellen Zellwand

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beton - gebaut für die Ewigkeit? Ressourceneinsparung mit Reyclingbeton
19.04.2017 | Hochschule Konstanz

nachricht Gelatine statt Unterarm
19.04.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit Urzeitalgen zu gesundem Wasser: Wirtschaftliches Verfahren zur Beseitigung von EDC im Abwasser

27.04.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Kaltwasserkorallen: Versauerung schadet, Wärme hilft

27.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

IAB-Arbeitsmarktbarometer: Arbeitsmarkt bleibt im Aufwind

27.04.2017 | Wirtschaft Finanzen