Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher der TU Dortmund wandeln wässriges Gel zu glasartigem Material

03.03.2017

Prof. Jörg Tiller und Nicolas Rauner von der Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen der TU Dortmund haben ein Gel entwickelt, das zwar aus bis zu 90 Prozent Wasser besteht, aber trotzdem ultrasteif und extrem zäh ist. Die Erfindung ist so spektakulär, dass die Arbeit es in die aktuelle Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins „Nature“ geschafft hat. In Zukunft könnte das neue Material als druckstabile Trennmembran in der Mehrwasserentsalzung oder als hochporöses Elektrodenmaterial für Batterien oder Brennstoffzellen zum Einsatz kommen.

Bei der Entwicklung des Biomaterials haben sich Prof. Jörg Tiller und Doktorand Nicolas Rauner von der Natur inspirieren lassen – genauer gesagt, von der Biomineralisation, einem der faszinierendsten biochemischen Prozesse. Biomineralien kommen in Zähnen und Knochen, in Schneckenhäusern, Muschelschalen und Krabbenpanzern oder in Kieselalgen vor.


Haben ihre Forschung im renommierten Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlicht: Prof. Jörg Tiller (re.) und Nicolas Rauner (li.) von der Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen der TU Dortmund sowie Monika Meuris. Bild: Nikolas Golsch/TU Dortmund

Ihre extrem feinen Strukturen, ihr ausgefeilter Aufbau und ihre besonderen Eigenschaften beschäftigen Forscherinnen und Forscher seit Langem – und liefern immer wieder Ansatzpunkte für die Entwicklung künstlicher Werkstoffe.

Ein solcher künstlicher Werkstoff ist das „Hydrogel“, das Prof. Jörg Tiller und Nicolas Rauner entwickelt haben und jetzt in der Fachzeitschrift Nature beschreiben. Was kann ihr Hydrogel, was andere nicht können? Ein Hydrogel ist zunächst einmal ein in Wasser gequollenes polymeres Netzwerk, also ein Material, das eigentlich fast nur aus Wasser besteht.

Ein aus dem Alltag bekanntes Hydrogel ist die Götterspeise. Nun ist die Götterspeise nicht umsonst auch als „Wackelpudding“ bekannt: Denn sie ist weder steif noch zäh, mit dem Löffel kann man sie leicht abtrennen. Steif ist ein Material, das sich schwer verbiegen lässt, und zäh, wenn man es stark verbiegen kann, bevor es zerbricht.

Hier setzt die Forschung von Tiller und Rauner an: Ihr Ziel war es, ein künstliches Hydrogel zu entwickeln, das ultrasteif und zugleich sehr zäh ist. Steife Hydrogele gibt es bisher nicht. Durch eine besondere Nanostruktur haben die Forscher es jetzt geschafft, aus einem „Wackelpudding“ ein glasartiges Material zu machen, das hauptsächlich aus Wasser besteht, sich nur mit Kraft verbiegen lässt und dabei noch stark dehnbar ist. So kann es großem Druck standhalten, ohne zu brechen.

Dass das neue Hydrogel diese beiden wertvollen Eigenschaften vereint, liegt an seiner besonderen Struktur, die durch Biomineralisation erzielt wird: Enzyme, sogenannte Phosphatasen, liegen extrem fein verteilt im Material vor. Sie sind die Katalysatoren, die den Strukturbildungsprozess auslösen, bei dem die Mineralisation direkt im Material geschieht.

So entsteht eine feste und wohlgeordnete Calciumphosphat-Nanostruktur, die ein stabiles Netzwerk bildet und für die besonderen Eigenschaften verantwortlich ist. Die aufwendige Aufklärung der Strukturen gelang dabei Monika Meuris, Expertin für Elektronenmikroskopie am Zentrum für Elektronenmikroskopie und Materialforschung (ZEMM) der TU Dortmund. In Zukunft wollen die Forscher diese neue Art der Materialherstellung für den Nachbau natürlicher Verbundmaterialien wie Muscheln oder Knochen nutzen.

Für beide Wissenschaftler ist es die erste Nature-Publikation – und eine besondere Auszeichnung, denn aus dem Bereich Materialwissenschaften stammen weniger als zehn Prozent aller Nature-Artikel. „Wir haben uns nach fünf Jahren Forschungsarbeit in einem mehrmonatigen Begutachtungs-prozess durchgesetzt“, sagt Prof. Jörg Tiller. „Enzymatic mineralization generates ultrastiff and tough hydrogels with tunable mechanics“ lautet der Titel des Artikels.

Prof. Jörg Tiller ist Professor für Biomaterialien und Polymerwissenschaften an der Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen der TU Dortmund. Nicolas Rauner hat an der TU Dortmund Polymerwissenschaften studiert und promoviert derzeit bei Tiller. Monika Meuris ist Leiterin des Zentrums für Elektronenmikroskopie und Materialforschung (ZEMM), das ebenfalls zur Tiller-Gruppe gehört. An der TU Dortmund erforscht und entwickelt Prof. Jörg Tiller seit 2007 unter anderem Biomaterialien, also Materialien, die mit biologischen Systemen interagieren. Diese können zum Beispiel antimikrobielle oder biokatalytische Eigenschaften haben oder auf äußere Einflüsse reagieren. Weitere Forschungsschwerpunkte liegen in den Bereichen Smart Materials und Polymersynthese.

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/nature21392

Martin Rothenberg | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.tu-dortmund.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Sauber trennen: Neuer Klebstoff für besseres Recycling
15.10.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Silber reduziert die Bakterienbesiedelung auf Magnesium-Implantaten
04.10.2018 | Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Chemiker der Universitäten Rostock und Yale zeigen erstmals Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen

Die Forschungskooperation zwischen der Universität Yale und der Universität Rostock hat neue wissenschaftliche Ergebnisse hervorgebracht. In der renommierten Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten die Wissenschaftler über eine Dreierkette aus Ionen gleicher Ladung, die durch sogenannte Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Damit zeigen die Forscher zum ersten Mal eine Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen, die sich im Grunde abstoßen.

Die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Professoren Mark Johnson, einem weltbekannten Cluster-Forscher, und Ralf Ludwig aus der Physikalischen Chemie der...

Im Focus: Storage & Transport of highly volatile Gases made safer & cheaper by the use of “Kinetic Trapping"

Augsburg chemists present a new technology for compressing, storing and transporting highly volatile gases in porous frameworks/New prospects for gas-powered vehicles

Storage of highly volatile gases has always been a major technological challenge, not least for use in the automotive sector, for, for example, methane or...

Im Focus: Materiezustände durch Licht verändern

Forscherinnen und Forscher der Universität Hamburg stören die kristalline Ordnung

Physikerinnen und Physikern der Universität Hamburg ist es gelungen, mithilfe von Laserpulsen die Ordnung von Quantenmaterie so zu stören, dass ein spezieller...

Im Focus: Disrupting crystalline order to restore superfluidity

When we put water in a freezer, water molecules crystallize and form ice. This change from one phase of matter to another is called a phase transition. While this transition, and countless others that occur in nature, typically takes place at the same fixed conditions, such as the freezing point, one can ask how it can be influenced in a controlled way.

We are all familiar with such control of the freezing transition, as it is an essential ingredient in the art of making a sorbet or a slushy. To make a cold...

Im Focus: Neuartiger topologischer Isolator

Erstmals haben Physiker einen topologischen Isolator gebaut, in dem nicht Elektronen oder Licht fließen, sondern Teilchen aus Licht und Materie. Ihre Neuerung präsentieren sie in „Nature“.

Topologische Isolatoren sind Materialien mit sehr speziellen Eigenschaften. Sie leiten elektrischen Strom oder Lichtteilchen nur an ihrer Oberfläche oder an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

PV Days in Halle zeigen neue Chancen für die Photovoltaik

11.10.2018 | Veranstaltungen

Methan als umweltfreundlicher Kraftstoff für LKW, Busse und andere Nutzfahrzeuge

10.10.2018 | Veranstaltungen

Schlaf ist Medizin: Neue Erkenntnisse aus der Schlafforschung

08.10.2018 | Veranstaltungen

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

Chemiker der Universitäten Rostock und Yale zeigen erstmals Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen

15.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Bio-Angeln für Seltene Erden: Wie Eiweiß-Bruchstücke Elektronik-Schrott recyceln

15.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Sauber trennen: Neuer Klebstoff für besseres Recycling

15.10.2018 | Materialwissenschaften

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