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 Wie wirksam sind Haftvermittler? Fraunhofer nutzt Flüssigkeitschromatographie zur Charakterisierung
17.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

nachricht Dem Lichtstrahl auf die Sprünge geholfen
21.07.2016 | SCHOTT AG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mobilität 4.0: Konferenz an der Jacobs University

18.10.2017 | Veranstaltungen

Smart MES 2017: die Fertigung der Zukunft

18.10.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

18.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Biokunststoffe könnten auch in Traktoren die Richtung angeben

18.10.2017 | Messenachrichten

»ILIGHTS«-Studie gestartet: Licht soll Wohlbefinden von Schichtarbeitern verbessern

18.10.2017 | Energie und Elektrotechnik