Ein Werkzeug aus Licht - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen ...
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Carbon Buckyball<br />
Die biologisch inspirierte Materialentwicklung<br />
bietet besonders faszinierende<br />
Möglichkeiten, neuartige Materialien mit<br />
geringerem Aufwand, aber gleichzeitig<br />
optimierten Funktionseigenschaften für<br />
technische und medizinische Anwendungen<br />
zu erzeugen. Biomimetische Materialien<br />
sind komplexe Materialien, die für<br />
ihre Synthese, ihre Strukturierung oder<br />
ihre Funktion wesentliche Regulationsprinzipien<br />
biologischer Wachstumsprozesse<br />
nutzen oder nachahmen. Hierbei<br />
wird die evolutionäre Optimierungsstrategie<br />
der Natur bewusst als Vorbild für<br />
technische Lösungen eingesetzt, wofür<br />
sich der Begriff Bionik eingebürgert hat.<br />
Biomimetische Materialien unterscheiden<br />
sich gegenüber konventionellen<br />
technischen Materialien hinsichtlich ihres<br />
Aufb<strong>aus</strong> und ihrer Eigenschaften. Die auf<br />
unterschiedlichen hierarchischen Ebenen<br />
bzw. Längenskalen von Nanometer bis<br />
Millimeter organisierte Werkstoffstruktur<br />
und die äussere Form gewinnen dadurch<br />
gegenüber stofflich bestimmten Ei-<br />
Faszination Technik<br />
Abb. 1: Die Natur als Vorbild – das Radiolarienskelett: im Makrokosmos für die geodätische Kuppel und im<br />
Mikrokosmos für das Kohlenstoffsupramolekül (Fullerene). Abbildungen: Lehrstuhl für Glas und Keramik<br />
genschaften an Bedeutung für die Funktionsoptimierung.<br />
So können beispielsweise<br />
Steifigkeit, Festigkeit, Zähigkeit<br />
oder Verschleißbeständigkeit optimal an<br />
den äußeren Belastungszustand angepasst<br />
werden. Beispiele für hierarchisch<br />
strukturierte biomimetische Materialien<br />
(und ihr biogenes Pendant) sind Nanopartikelcomposite<br />
(Dentin), Fasercomposite<br />
(Cuticalae), Laminatverbunde (Perlmutt)<br />
oder Zellularverbunde (Knochen).<br />
Die biomimetische Materialsynthese<br />
umfasst einerseits eng an die Natur<br />
angelehnte Prozesse, bei denen Biomoleküle<br />
– teils nach genetischer Reproduktion<br />
– gezielt eingesetzt werden, um<br />
Selbstordnungsprozesse und Kristallisationsvorgänge<br />
einzuleiten. Andererseits<br />
werden neue Synthesewege auch ohne<br />
direkte Beteiligung biologischer Verbindungen<br />
entwickelt, in denen wesentliche<br />
Regulationsprinzipien bei der Materialorganisation<br />
auf unterschiedlichen hierarchischen<br />
Ebenen technisch nachvollzogen<br />
werden. <strong>Ein</strong> dritter Forschungs-<br />
Pavillon Welt<strong>aus</strong>stellung<br />
Montreal (B. Fuller)<br />
Peter Greil<br />
Der Natur nachgebildet<br />
Biomimetik – Materialforschung an der Schnittstelle zur Biologie<br />
10 uni.kurier.magzin 105/juni 2004<br />
Radiolarien-Skelett<br />
Aulospharea (E. Haeckel)<br />
ansatz verknüpft anorganische mit bioorganischen<br />
Komponenten zur Bildung<br />
hybrider Compositmaterialien, die Biokonjugat-Nanopartikel-Hybride<br />
als auch<br />
vegetative Zellträgermaterialien umfassen.<br />
Cellulosefasern als Formgeber<br />
Die hauptsächlich <strong>aus</strong> Kohlenstoff, Sauerstoff,<br />
Stickstoff und Wasserstoff bestehenden<br />
und durch kettenartige Verknüpfung<br />
von Monosacchariden aufgebauten<br />
Polysaccharide (Mehrfachzucker)<br />
kommen unter den bioorganischen<br />
Polymeren mengenmäßig<br />
am häufigsten vor; insgesamt produzieren<br />
Pflanzen durch Photosynthese jährlich<br />
über 10 15 kg Cellulose. Im Gegensatz zu<br />
Proteinen und Nucleinsäuren bilden Polysaccharide<br />
sowohl verzweigte als auch<br />
lineare Strukturen, was beispielsweise die<br />
Bildung hierarchisch aufgebauter<br />
spiralförmiger Cellulosefaser-Compositstrukturen<br />
in der Zellwand von<br />
Pflanzengeweben möglich macht.
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