Reißfestigkeit der Seide entschlüsselt

Obwohl Seide aus sehr schwachen Verbindungen besteht, ist sie in Relation stärker als Stahl und dehnbar wie kaum ein anderes Material. Dass dies auf die spezielle Anordnung ihrer Moleküle zurückgeht, berichten Forscher vom Massachusetts Institute of Technology in der Zeitschrift „Nature Materials“.

Die Lösung des Geheimnisses von Spinnen und Seidenraupen könnte bald zur Entwicklung synthetischer Materialien führen, die Eigenschaften von natürlicher Seide nachahmen oder sogar übertreffen.

Elegantes Abreißen erst bei großen Kräften

Seide besteht aus einem langen Strang von Aminosäuren. Einige Bereiche dieser zunächst ungeordneten Stränge bilden Kristalle von wenigen Nanometern Dicke, sogenannte Beta-Faltblätter. Diese sind mit Wasserstoffbrücken verbunden, welche zu den schwächsten Verbindungen der Natur gehören. Was sie dennoch so stark macht, untersuchte das Team um Markus Bühler mit einem Computermodell. Die Forscher beobachteten, was beim Reißen eines Seidenfadens auf Molekülebene vor sich geht. Es zeigte sich, dass die aufeinander gestapelten Beta-Faltblätter ganz unterschiedlich auseinanderbrechen.

Sind diese Stapel länger als drei Nanometer, verbiegen sie sich durch ein Dehnen der Verbindungsbrücken parallel zur Bindungsachse. Ab fünf Nanometer beginnen sie zu reißen, jedoch nur schrittweise nach dem Reißverschluss-Prinzip. „Statt mit einem Schlag versagen die Verbindungen nur allmählich, da sie sich gegenseitig stützen und somit große Kräfte ableiten“, erklärt Bühler. Sind die Kristalle kürzer als drei Nanometer, verschieben sie sich bei Belastung bloß seitlich. Um sich aufzulösen, müssten die Wasserstoffbrücken gleichzeitig auseinandergerissen werden, was viel mehr Kraft erfordert.

Traum der Materialwissenschaft

Seide vereinigt Eigenschaften, von der Materialwissenschaftler nur träumen, erklärt Peter Fratzl vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung http://www.mpikg-golm.mpg.de gegenüber pressetext. „Seide ist bruchfest und nachgiebig zugleich. Während ein Riss bei festen Materialien wie Glas, Keramik und Hartplastik ungebremst durchläuft, schafft es Seide, seine Energie umzulenken. Dafür nutzt sie jede einzelne ihrer Bindungen“, so der Experte für Biomaterialien. Bühlers Modell habe den ersten theoretischen Nachweis dafür erbracht, wenngleich es noch auf wenigen Annahmen beruhe.

Puzzle mit fehlendem Mittelteil

Was Bühler am Computer simuliert, versucht Thomas Scheibel vom Lehrstuhl für Biomaterialien an der Universität Bayreuth http://www.fiberlab.de in Experimenten mit molekularen Bausteinen. „Das Rätsel um die hohe Elastizität und Stärke des Spinnenfadens entspricht einem großen Puzzle, von dem man erst die vergleichbar leichten Außenränder zusammengesetzt hat. Was die einzelnen Bausteine der Mitte betrifft, tappt man noch im Dunkeln“, so der Forscher im pressetext-Interview. Die Erkenntnis, dass die Länge der Beta-Faltblätter die Materialeigenschaften bestimmt, sei ein „wichtiger Schritt nach vorne“.

Wenn man bisher auch 95 Prozent der Spinnenseide nachbauen könne, sei man laut Scheibel gegenüber der Natur noch weit im Hintertreffen. Die Forschung geht weiter, denn die Möglichkeiten der Imitation oder vielleicht sogar Verbesserung klingen verlockend. „Wichtig wäre das für die Medizintechnik. Künstlich hergestellte Spinnenseide wäre ein extrem reißfestes und ohne Rückstände abbaubares Nahtmaterial für Operationen. Forschern in Hannover gelang es bereits, mit Fäden von Spinnen beschädigte Nervenzellen zu überbrücken.“ Doch auch für Autoairbags mit vermindertem Verletzungsrisiko oder für Spezialseile sei dies nützlich.