Flexible Minerale: Neue Materialien aus der Meerestiefe
Vom Baumeister Natur lernen, „Erfolgsmodelle“ kopieren und sie für technische Entwicklungen nutzen – das ist der Grundgedanke der Biomimetik. Vor allem Meerestiere dienen Dr. Filipe Natalio als Inspiration für Innovationen. Der Leiter der neuen „Nachwuchsgruppe für Bioanorganische und Biomimetische Chemie“ der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ist Hauptautor der Studie.
Dr. Filipe Natalio mit einigen seiner Forschungsobjekte, darunter auch ein Glasschwamm (ganz links).
Maike Glöckner
Modell: Wie eine Mauer sind die Kalzit-Nanopartikel angeordnet. Weil Silikatein dazwischen wie Kleber und Schmiermittel zugleich wirkt, überstehen die Partikel selbst starkes Biegen nahezu unbeschadet.
Filipe Natalio
„Wir sind sehr froh, dass wir unsere Nachwuchsgruppen mit herausragenden jungen Wissenschaftlern besetzen konnten. Das Science-Paper von Filipe Natalio setzt einen Akzent!“, sagt Prof. Dr. Ingrid Mertig, Sprecherin des MLU- Forschungsnetzwerks „Nanostrukturierte Materialien“, zu dem auch die Nachwuchsgruppe von Dr. Filipe Natalio gehört. „Die Gruppe von Filipe Natalio nimmt einen besonderen Platz ein, indem sie mit ihrem Fachgebiet der Biomimetischen Materialsynthese eine Brücke zum Forschungsnetzwerk Biowissenschaften schlägt“, so Mertig.
Biominerale wie Muschelschalen oder Meeresschwämme dienen Biomimetik-Forschern als Vorbild, denn sie besitzen einzigartige wertvolle Eigenschaften. „Schwämme sind zum Beispiel sehr widerstandsfähig und trotzdem beweglich. Sie können Licht leiten und sind Leichtgewichte“, erläutert der Chemiker Natalio. Ihre perfekten Eigenschaften erhalten diese Meeresorganismen durch den Prozess der Biomineralisation. Dabei steuern die Organismen selbst, wie Minerale und organischen Bestandteile sich systematisch so anordnen, dass hochkomplexe Skelettstrukturen entstehen.
Filipe Natalio untersucht, wie es die Organismen schaffen, diese perfekten Strukturen systematisch herzustellen. „Wenn wir verstehen, wie Meerestiere wie Schwämme oder Kieselalgen wachsen, können wir diesen Prozess kopieren und damit neue Materialien entwickeln.“ Diese könnten zum Beispiel künftig in der Medizin als neuartige Knochenimplantate genutzt werden. Im aktuellen „Science“-Magazin beschreibt der Portugiese die Entwicklung eines neuen Materials, das außergewöhnlich robust und zugleich so biegsam wie Gummi ist. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz.
Als Inspiration dienten den Forschern Glasschwämme, die seit mehr als 500 Millionen Jahren auf dem Meeresgrund leben. Diese Schwämme bestehen aus nadelförmigen Skelettelementen (Spicula), die durch Biomineralisation allmählich aus Kalzit und organischem Kleber (Proteinen) aufgebaut werden. „Diesen natürlichen Entstehungsprozess haben wir nachgeahmt, indem wir im Labor Silikateine zu Kalzit-Nanopartikeln hinzugefügt haben“, erläutert Natalio. Mit Hilfe des Proteins Silikatein bilden einige Schwammarten ihr Skelett. Die künstlich hergestellten „Nadeln“ ähneln äußerlich ihren natürlichen Vorbildern. Zur Überraschung der Forscher erwiesen sie sich aber als noch robuster und zugleich biegsam. Selbst wenn sie im 180-Grad-Winkel zu einem U gebogen werden, überstehen die Nadeln diese extreme Belastung nahezu unbeschadet. Dahinter steckt ein bislang unbekannter Aufbaumechanismus des Biominerals: Die Silikateine wirken wir ein Schmiermittel, das die Kalzit-Nanopartikel miteinander verbindet und zugleich die Elastizität der Struktur erhält. Dem Team um Filipe Natalio ist es gelungen, den natürlichen Bauplan dieses Biominerals zu entschlüsseln und das erste biomimetische Biomineral mit ähnlichen bzw. sogar verbesserten Eigenschaften zu entwickeln.
Originalveröffentlichung
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