Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wasserdicht dank Bakterienfilm: Neuer Mörtel lässt Flüssigkeit abperlen

25.07.2016

Feuchtigkeit kann Mörtel auf Dauer zerstören – etwa wenn sich durch Frost Risse bilden. Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) hat einen ungewöhnlichen Weg gefunden, um Mörtel vor Feuchtigkeit zu schützen: Schon beim Anrühren der Masse fügen sie einen Biofilm hinzu, eine weiche, feuchte Substanz, die von Bakterien gebildet wird.

Mit Ziegeln, Mörtel und Beton hat Prof. Oliver Lieleg für gewöhnlich wenig zu tun. Als Professor für Biomechanik am Zentralinstitut für Medizintechnik (IMETUM) und der Fakultät Maschinenwesen beschäftigt er sich hauptsächlich mit Hydrogelen aus Biopolymeren, etwas flapsig könnte man sagen: mit Schleim, der von Lebewesen gebildet wird.


Die Oberflächenstruktur des mit Biofilm angemischten Mörtels (links) erzeugt einen Lotuseffekt: Wassertropfen haben deutlich weniger Kontakt zur Oberfläche als auf unbehandeltem Mörtel (rechts).

Stefan Grumbein / TUM

Dazu zählen zum Beispiel bakterielle Biofilme wie Zahnbelag oder die schleimige, schwarze Schicht in Abflussrohren. „Biofilme gelten im Allgemeinen als schädlich und störend, das ist etwas, was man eher loswerden will“, sagt Oliver Lieleg. „Für mich war es deshalb reizvoll, sie für eine sinnvolle Anwendung nutzbar zu machen.“

Inspiration im Gespräch

Im Gespräch mit einem Kollegen an der TUM kam Lieleg die Idee, Biofilme zu nutzen, um die Eigenschaften von Baumaterial zu verändern. Prof. Christian Große ist Inhaber des Lehrstuhls für Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und forscht unter Anderem zu selbstheilendem Beton, der Risse selbständig schließt. Einer Variante dieses Betons sind Bakterien beigemischt, die durch eintretende Feuchtigkeit aktiviert werden und die Risse durch kalkhaltige Stoffwechselprodukte wieder schließen.

Für sein eigenes Projekt nahm sich Lieleg anstelle von Beton Mörtel vor. Statt Risse im Nachhinein zu flicken, will er jedoch verhindern, dass Feuchtigkeit überhaupt erst eindringt und für Probleme sorgt indem sich etwa Schimmel bildet oder gefrierendes Wasser kleine Spalten weiter aufsprengt. Dafür macht er sich zunutze, dass einige Filme, die von Bakterien gebildet werden, stark wasserabweisend sind. Im Fachmagazin „Advanced Materials“ schildern Lieleg und seine Kolleginnen und Kollegen, wie man einen sogenannten Hybridmörtel herstellen kann, der besonders resistent gegen Feuchtigkeit ist.

Bodenbakterium als Filmlieferant

Wichtigste Zutat des neuen Materials ist der Biofilm eines Bakteriums namens Bacillus subtilis. „Bacillus subtilis lebt normalerweise in Böden und ist sehr weit verbreitet“, erläutert Oliver Lieleg. „Wir haben für unsere Experimente einen einfachen Laborstamm genutzt, der sich gut vermehren lässt, viel Biomasse bildet und völlig ungefährlich ist.“ Im Labor züchtete das Team um Lieleg den Bakterienfilm auf Standard-Nährböden. Den feuchten Biofilm mischten sie dann unter das Mörtelpulver.

Auf dem fertigen Hybridmörtel blieb Wasser deutlich weniger haften, als auf unbehandeltem. Um diese Eigenschaft einer Oberfläche zu messen, bestimmen Wissenschaftler den Kontaktwinkel, den ein Wassertropfen zur Oberfläche hat. Je steiler der Winkel, desto kugelförmiger ist ein Tropfen und desto weniger sickert er in das jeweilige Material ein. Während dieser Winkel bei Tropfen auf unbehandeltem Mörtel 30 Grad oder weniger beträgt, ist er bei Tropfen auf dem Hybridmörtel gut dreimal so steil. Einen ähnlichen Kontaktwinkel haben Wassertropfen auf Polytetrafluorethylen, besser bekannt unter dem Markennamen Teflon.

Nanostrukturen im Mörtel

Der Grund für die Eigenschaften des Hybridmörtels ist nur mit dem Elektronen-Mikroskop sichtbar: Überall an der Oberfläche befinden sich winzige kristalline Stacheln. Dadurch kommt es zum sogenannten Lotuseffekt, der beispielsweise auch auf den Blättern der namensgebenden Pflanze auftritt. Die kleinen gleichmäßigen Strukturen auf der Oberfläche sorgen dafür, dass nur ein kleiner Teil der Oberfläche eines Wassertropfens die eigentliche Oberfläche des Blattes berührt.

Dadurch wird die Oberflächenspannung des Tropfens stärker als die Kräfte, die ihn am Blatt haften lassen, er wird kugelförmig und perlt ab. Ein Schnitt durch den Hybridmörtel zeigt, dass die kristallinen Stacheln auch innerhalb des Mörtels gleichmäßig verteilt sind. Dadurch werden Kapillarkräfte verringert, die normalerweise dafür sorgen, dass Wasser in dem Mörtel emporsteigt, wenn ein Teil in Flüssigkeit steht.

Ähnliche Stacheln kommen zwar auch auf unbehandeltem Mörtel vor, sie sind dort aber länger und nur an einzelnen Stellen zu finden. Ein Lotuseffekt kann nicht entstehen. Erst der beigemischte Biofilm, nehmen die Wissenschaftler an, stimuliert überall im Volumen des Hybridmaterials ein Kristallwachstum, das zudem besonders gleichmäßig ist.

Um herauszufinden, ob der Hybridmörtel widerstandsfähig genug ist, um tatsächlich im Bau verwendet zu werden, wird er derzeit am Lehrstuhl von Christian Große geprüft. „Wenn der Mörtel tatsächlich geeignet ist, sehe ich wenig Probleme für Firmen, ihn im großen Stil herzustellen“, sagt Oliver Lieleg. Sowohl der verwendete Bakterienstamm als auch die Nährböden seien etabliert und relativ kostengünstig. „In unseren Experimenten haben wir außerdem herausgefunden, dass man auch gefriergetrockneten Biofilm nutzen kann. In Pulverform lässt sich das biologische Material sehr viel leichter lagern, transportieren und dosieren.“ In Zukunft wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler prüfen, ob sich auch Beton mithilfe des Biofilms gegen Wasser schützen lässt.

Kontakt:

Prof. Dr. Oliver Lieleg
Professur für Biomechanik
Technische Universität München
Fakultät für Maschinenwesen und Zentralinstitut für Medizintechnik
Telefon: +49 (0)89-289-10952
E-Mail: oliver.lieleg@tum.de

Publikation:

S. Grumbein, D. Minev, M. Tallawi, K. Boettcher, F. Prade, F. Pfeiffer, C.U. Große and O. Lieleg, Hydrophobic Properties of Biofilm-Enriched Hybrid Mortar, Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201602123 (2016)

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München
Weitere Informationen:
http://www.tum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen
27.06.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zu aktuellen Fragen der Stammzellforschung

27.06.2017 | Veranstaltungen

Fraunhofer FKIE ist Gastgeber für internationale Experten Digitaler Mensch-Modelle

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen

27.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wave Trophy 2017: Doppelsieg für die beiden Teams von Phoenix Contact

27.06.2017 | Unternehmensmeldung

Warnsystem KATWARN startet international vernetzten Betrieb

27.06.2017 | Informationstechnologie