Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Stoßdämpfend wie eine Pomelo, hart und stichfest wie Macadamia-Nüsse

17.03.2016

Die Schalen der Früchte inspirieren zur Entwicklung neuer Materialien

Das Material, auf das die Werkstoffwissenschaftler Claudia Fleck und Paul Schüler immer wieder Druck ausüben, gibt diesem nach und nimmt dabei effizient die übertragene Energie auf. Es ist aus einer Aluminiumlegierung, extrem leicht und weist eine offenporige Schaumstruktur auf.

Dieser sogenannte bio-inspirierte Metallschaum ist der Schale der Zitrusfrucht Pomelo nachempfunden und das Ergebnis eines gemeinsamen Forschungsprojektes der TU Berlin, RWTH Aachen und der Universität Freiburg.

Pomelos, diese größten und schwersten Zitrusfrüchte der Welt, überstehen einen Sturz aus zehn Metern Höhe auf einen harten Betonboden und absorbieren beim Aufprall bis über 90 Prozent der kinetischen Energie. Ihre zwei bis drei Zentimeter dicke, extrem stoßdämpfende Schale sorgt für dieses Wunder. Wie aber ist dieses Wunder möglich?

„Die hohe und effiziente Energieabsorption der Pomelo-Schale liegt in ihrer inneren Struktur begründet“, sagt Dr.-Ing. Paul Schüler vom TU-Fachgebiet Werkstofftechnik, das von Prof. Dr.-Ing. Claudia Fleck geleitet wird. Zusammen mit den Aachener und Freiburger Kollegen wurde diese Struktur erforscht.

Licht-, rasterelektronenmikroskopische und computertomografische Untersuchungen ergaben: Das Innenleben der Pomelo-Schale ist hochkomplex und hierarchisch strukturiert. Hauptcharakteristikum ist eine offenporige Schaumstruktur. Der äußere Randbereich ist sehr fein-, der mittlere großporig und im Übergangsbereich zum Fruchtfleisch hin sind die Poren langgestreckt.

Zudem ist die Schale von steifen und sich verzweigenden Faserbündeln durchzogen, die senkrecht zur Außenseite der Schale verlaufen. „Das enorme spezifische Energieabsorptionsvermögen der Schale wird aber ganz offensichtlich durch die Stege der Schaumstruktur erzeugt. Diese sind innen hohl und mit einer Flüssigkeit gefüllt. Beim Aufprall wird die Flüssigkeit von einem Steg in den anderen gedrückt und bewirkt die stoßdämpfende Eigenschaft.

Die Schale platzt nicht auf und das Fruchtfleisch wird so vorm schnellen Verrotten bewahrt“, erklärt Paul Schüler. Diese Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften aufzuzeigen, also zu verstehen, welche Eigenschaft durch welche Struktur begründet wird, ist ein wichtiger Aspekt in dem gemeinsamen DFG-Forschungsprojekt der drei Universitäten.

Gegenstand der Forschung war auch die Macadamia-Nuss. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interessierten sich für sie, weil sie im wahrsten Sinne des Wortes extrem schwer zu knacken ist. Die Schale ist nahezu resistent gegen Stiche und Schläge. Die am TU-Fachgebiet Werkstofftechnik durchgeführten mikrostrukturellen Untersuchungen zeigten eine siebenschichtige Sandwichstruktur.

Die äußere Schale weist kugel- bis kartoffelförmige sogenannte Sklereid-Zellen mit dicken Zellwänden auf. Dahinter folgt eine dicke Schicht mit ineinander verflochtenen Sklerenchymfasern. Sklereide und Sklerenchym sind pflanzliches Festigungsgewebe. „Die Festigkeit der Macadamia-Schale beruht nicht auf der Dicke der Schale, sondern auf ihrer Faserstruktur, die andere Nussschalen nicht aufweisen – so unsere Erkenntnis“, sagt Paul Schüler.

Diese Strukturen zu erkennen und zu verstehen ist die eine Seite. Die andere Seite ist, das Wissen darüber anzuwenden, zum Beispiel für die Entwicklung neuer Materialien. „Die Pomelo- und Macadamia-Nussschalen sind herausfordernde Inspirationsquellen für die bionische Entwicklung von Schutz- oder Behältermaterialien“, so Paul Schüler. Dabei geht es in der Bionik aber nicht darum, die Natur eins zu eins nachzubauen. Dafür sind die biologischen Strukturen zu komplex.

Die Wissenschaftler wollen von der Komplexität abstrahieren und bei der Entwicklung neuer Materialien nur die Struktur- und Funktionsprinzipien nutzen, die die gewünschten Eigenschaften im Wesentlichen verantworten. Interessant wäre, so Paul Schüler, ein neues Material zu entwickeln, das die hervorstechenden Eigenschaften der Pomelo-Schale – hohe und energieeffiziente Energieabsorption – und die der Macadamia-Nuss – extreme Festigkeit und Zähigkeit – miteinander kombiniert.

Aus einem solchen Material könnten dann Sturzhelme, Schutzwesten oder Crashabsorber beim Auto hergestellt werden. Und geradezu fantastisch wäre es, gelänge es, die Außenhülle eines Flugzeuges aus einem solchen Material zu bauen, sodass es einen Absturz übersteht und nicht auseinanderbricht. Die Passagiere blieben geschützt. Denn genau diese Funktion erfüllen die Schalen der Pomelo und der Macadamia-Nuss: Sie schützen das Innere.

Das DFG-Forschungsprojekt „Impact resistant hierarchically structured materials based on fruits walls and nutshells“ gehört zum DFG-Schwerpunktprogramm SPP 1420 “Biomimetic Materials Research: Functionality by hierarchical structuring of Materials”.

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Prof. Dr.-Ing. Claudia Fleck
TU Berlin
Fachgebiet Werkstofftechnik
Tel.: 030/314-23605
E-Mail: claudia.fleck@tu-berlin.de

Stefanie Terp | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.tu-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Schutzmasken aus dem 3D-Drucker
27.03.2020 | Universität Duisburg-Essen

nachricht Komplexe Zelluloseobjekte drucken
25.03.2020 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hannoveraner Physiker entwickelt neue Photonenquelle für abhörsichere Kommunikation

Ein internationales Team unter Beteiligung von Prof. Dr. Michael Kues vom Exzellenzcluster PhoenixD der Leibniz Universität Hannover hat eine neue Methode zur Erzeugung quantenverschränkter Photonen in einem zuvor nicht zugänglichen Spektralbereich des Lichts entwickelt. Die Entdeckung kann die Verschlüsselung von satellitengestützter Kommunikation künftig viel sicherer machen.

Ein 15-köpfiges Forscherteam aus Großbritannien, Deutschland und Japan hat eine neue Methode zur Erzeugung und zum Nachweis quantenverstärkter Photonen bei...

Im Focus: Physicist from Hannover Develops New Photon Source for Tap-proof Communication

An international team with the participation of Prof. Dr. Michael Kues from the Cluster of Excellence PhoenixD at Leibniz University Hannover has developed a new method for generating quantum-entangled photons in a spectral range of light that was previously inaccessible. The discovery can make the encryption of satellite-based communications much more secure in the future.

A 15-member research team from the UK, Germany and Japan has developed a new method for generating and detecting quantum-entangled photons at a wavelength of...

Im Focus: Nachwuchswissenschaftler der Universität Rostock erfinden einen Trichter für Lichtteilchen

Physiker der Arbeitsgruppe von Professor Alexander Szameit an der Universität Rostock ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Universität Würzburg gelungen, einen „Trichter für Licht“ zu entwickeln, der bisher nicht geahnte Möglichkeiten zur Entwicklung von hypersensiblen Sensoren und neuen Technologien in der Informations- und Kommunikationstechnologie eröffnet. Die Forschungsergebnisse wurden jüngst im renommierten Fachblatt Science veröffentlicht.

Der Rostocker Physikprofessor Alexander Szameit befasst sich seit seinem Studium mit den quantenoptischen Eigenschaften von Licht und seiner Wechselwirkung mit...

Im Focus: Junior scientists at the University of Rostock invent a funnel for light

Together with their colleagues from the University of Würzburg, physicists from the group of Professor Alexander Szameit at the University of Rostock have devised a “funnel” for photons. Their discovery was recently published in the renowned journal Science and holds great promise for novel ultra-sensitive detectors as well as innovative applications in telecommunications and information processing.

The quantum-optical properties of light and its interaction with matter has fascinated the Rostock professor Alexander Szameit since College.

Im Focus: Künstliche Intelligenz findet das optimale Werkstoffrezept

Die möglichen Eigenschaften nanostrukturierter Schichten sind zahllos – wie aber ohne langes Experimentieren die optimale finden? Ein Team der Materialforschung der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat eine Abkürzung ausprobiert: Mit einem Machine-Learning-Algorithmus konnten die Forscher die strukturellen Eigenschaften einer solchen Schicht zuverlässig vorhersagen. Sie berichten in der neuen Fachzeitschrift „Communications Materials“ vom 26. März 2020.

Porös oder dicht, Säulen oder Fasern

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Europäischer Rheumatologenkongress EULAR 2020 wird zum Online-Kongress

30.03.2020 | Veranstaltungen

“4th Hybrid Materials and Structures 2020” findet web-basiert statt

26.03.2020 | Veranstaltungen

Wichtigste internationale Konferenz zu Learning Analytics findet statt – komplett online

23.03.2020 | Veranstaltungen

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

Europäischer Rheumatologenkongress EULAR 2020 wird zum Online-Kongress

30.03.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Wo bleibt das Plastik im Ozean?

30.03.2020 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Hannoveraner Physiker entwickelt neue Photonenquelle für abhörsichere Kommunikation

30.03.2020 | Physik Astronomie

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