Wenn Natur auf Wissenschaft trifft – Spinnennetze aus Graphen

Spinnenseide weist sowohl eine hohe Zugfestigkeit ~ 1,5 GPa als auch eine hervorragende Zähigkeit ~ 150 J g−1 auf. Um festzustellen, wie sich diese Werte verändern, wenn Spinnen Graphen in ihren Organismus aufnehmen, versprühten Forscher, die durch das EU-finanzierte Flaggschiffprojekt GRAPHENE FLAGSHIP unterstützt wurden, Lösungen aus Graphen und Kohlenstoffnanoröhren in den Anlagen, in denen Spinnen gehalten wurden.

Das Team beschrieb seine Forschungen in der wissenschaftlichen Arbeit
„Spider silk reinforced by graphene or carbon nanotubes“, die in der Online-Fachzeitschrift „2D Materials™“ veröffentlicht wurde. Die Lösungen wurden von den Spinnen aufgenommen, und als die Seide geerntet wurde, waren darin Graphen und Nanoröhren nachweisbar. Die Forscher stellten fest, dass sich die mechanischen Eigenschaften gegenüber natürlicher Seide verbessert hatten – die Zugfestigkeit stieg auf etwa 5,4 GPa und die Zähigkeit auf ca. 1570 J g−1.

Die Forschungen wurden von Professor Nicola Pugno von der italienischen Universität Trento geleitet, laut dem die Zugfestigkeit der verbesserten Seide mit der von Nampfschneckenzähnen oder der stabilsten Kohlefasern vergleichbar sei. „Wir befinden uns noch in einem frühen Stadium, doch unsere Ergebnisse stellen einen Machbarkeitsnachweis dar, der dazu führen könnte, die effiziente, natürliche Seidenproduktion der Spinnen eines Tages zur Herstellung verstärkter bionischer Seidenfasern zu nutzen und so eines der vielversprechendsten festen Materialien noch weiter zu verbessern.“

Da die Fasern nicht nur extrem zugfest, sondern auch biologisch abbaubar sind, eröffnen sie neue Anwendungsmöglichkeiten für Textilien wie etwa medizinische Verbände.

Innovation durch Zusammenarbeit

Die Forschungsarbeit wurde durch mehrere Projekte unterstützt: Sowohl REPLICA2 (Large-area replication of biological anti-adhesive nanosurfaces) als auch KNOTOUGH (Super-tough knotted fibers) und BIHSNAM (Bio-inspired Hierarchical Super Nanomaterials) leisteten einen Beitrag. Graphen ist ein interessanter Bereich, in dem viele Innovationen erwirkt werden, und mit dem Flaggschiffprojekt der EU, GRAPHENE FLAGSHIP, wird sichergestellt, dass in diesem neuen Feld weitere Fortschritte erzielt werden.

Andrea Ferrari, der Leiter des Cambridge Graphene Centre, Science and Technology Officer von GRAPHENE FLAGSHIP und Vorsitzender des Verwaltungsgremiums des Flaggschiffprojekts, erklärte gegenüber Science Daily: „Die Wechselwirkungen zwischen Graphen und ähnlichen Materialien sowie Biomaterialien ist von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, weitere denkbare Anwendungsmöglichkeiten zu schaffen. Dies ist eines der vielen Beispiele, an denen das Potenzial dieses Bereichs deutlich wird. Diese Arbeit wird uns bei der Entwicklung neuartiger Verbundwerkstoffe mit verbesserten Eigenschaften unterstützen, die sich an der Natur orientieren.“

Weitere Informationen:
REPLICA2-Projektwebseite bei CORDIS
KNOTOUGH-Projektwebseite bei CORDIS
BIHSNAM-Projektwebseite bei CORDIS
Das GRAPHENE FLAGSHIP