• Kommen Nanomaterialien in der Natur vor?
  • Was ist die Photosynthese?
  • Kann man die Energiegewinnung bei Pflanzen auch für Solarzellen kopieren?
  • Was ist Perlmutt und wieso ist es ein Nanowerkstoff? Was macht Perlmutt besonders?
  • Wieso können Geckos nahezu ungehindert über Decken und Wände klettern ohne abzustürzen?
  • Gibt es weitere Beispiele für Nanotechnologie-Vorbilder in der Natur?

In den vorangegangenen Artikeln haben wir gelernt, dass sich Nanowissenschaft und Nanotechnologie mit der Beschreibung von Objekten bzw. Materie im Größenbereich der Nanoskala beschäftigt. In diesem Artikel werden wir sehen, dass es auch in der Natur viele Mechanismen gibt, die sich auf dieser kleinen Längenskala abspielen und trotzdem immense Auswirkungen haben.

Natürliche Nanomaterialien?

Wenn wir von Nanomaterialien sprechen, meinen wir meist Teilchen, Moleküle oder vielleicht biologische Zellen, deren Ausdehnung im Bereich zwischen 1-100 nm liegt. Mittlerweile kennen wir eine Vielzahl solcher Strukturen auch außerhalb des Labors und oftmals haben Effekte auf der Nano- oder Mikroskala in Flora und Fauna erstaunliche Auswirkung. Hier ein paar Beispiele:

 

Photosynthese

chloroplastenBlattspreite der Plagiomnium affine - Chloroplasten sind zuständige für die Photosynthese.
Quelle: commons.wikimedia, User: Fabelfroh, CC BY-SA 3.0

Fast alle Pflanzen und Algen sowie photoaktive Bakterien bedienen sich der Photosynthese, um aus Molekülen durch einen chemischen Prozess Energie zu gewinnen (Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie). Typischerweise werden dabei Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) in Zucker (C6H12O6) umgewandelt, wobei als Abfallprodukt Sauerstoff (O2) entsteht. Das Besondere an der Photosynthese ist also die Energieerzeugung aus Sonnenlicht, welche von einem winzigen Kraftwerk im Inneren einer photoaktiven Pflanze, den sogenannten Chloroplasten, geschieht. Eine Chloroplaste selbst besteht aus einer Doppelschicht aus Lipidmolekülen, an denen Antennenmoleküle befestigt sind, die wiederum das Sonnenlicht aufnehmen und an das Reaktionszentrum im Inneren der Pflanze weiterleiten.

Die Details und der genaue Ablauf der Photosynthese sind recht kompliziert, aber Pflanzen haben sich in den Jahrmillionen der Evolution natürlich zu sehr effizienten Energieumwandlern entwickelt. Daher ist es natürlich naheliegend, das Prinzip der Photosynthese auch im Labor nachzubauen und z.B. für Solarzellen nutzbar zu machen oder über spezielle Algen Biokraftstoffe herzustellen.

Verschiedene Forschungsteams haben sich dem Problem angenommen und arbeiten an unterschiedlichen Ansätzen. Zum Beispiel versuchen einige Wissenschaftler künstliche Photosynthese mit Nanoröhrchen zur Aufspaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) nutzbar zu machen. Ein anderer Ansatz im Zusammenhang mit Solarzellen wurde 1991 von Michael Grätzel von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne entwickelt. Von der Photosynthese inspiriert, versuchte er das zugrundeliegende Prinzip in Form einer neuartigen, umweltfreundlicheren und kostengünstigen Solarzelle umzusetzen. Herkömmliche Solarzellen bestehen meist aus reinem Silizium, das durch hohe Temperaturen in einem Ofen hergestellt wurde und daher sehr teuer ist. Die sogenannte Grätzel-Zelle kommt ohne Silizium aus, das Sonnenlicht wird wie bei einer Pflanze von einem Farbstoff (z.B. Chlorophyll) absorbiert. Der Unterschied zwischen der Grätzel-Zelle und der natürlichen Photosynthese besteht darin, dass in Pflanzen die von den Chloroplasten erzeugte chemische Energie zur Erzeugung energiereicher Biomoleküle verwendet wird und die Grätzel-Zelle die Energie direkt in elektrischen Strom umwandelt.

Im nächsten Bild ist eine schematische Darstellung einer Grätzel-Zelle abgebildet. Im Wesentlichen besteht eine solche Zelle aus zwei Glasplättchen (hellblaue Schicht), die in einem Abstand von etwa 30 nm angeordnet sind. Diese Plättchen sind mit einer leitfähigen und für Sonnenlicht transparenten Beschichtung überzogen (TCO, orange Balken). Zwischen diesen Plättchen befindet sich ein Elektrolyt (d.h. eine Flüssigkeit die Elektronen transportieren kann, gelb). Der Farbstoff haftet aufgrund einer zusätzlichen Titandioxid-Schicht (TiO2, weiße Teilchen mit roten Punkten) innerhalb des Elektrolyten an einer Seite der Glasplättchen. Eine der beiden Glasplättchen ist auch mit einer zusätzlichen Platin-Beschichtung (graue Schicht an der oberen Grenzfläche zwischen Elektrolyt und TCO-Schicht) ausgestattet, die als Katalysator dient und die Stromumwandlung in der Grätzel-Zelle fördert.

graetzel cellFunktionsweise einer Grätzel-Zelle.
Quelle: www.weltderphysik.de, Autor: Felix Läderach, CC BY-NC-ND

Die Funktionsweise der Grätzel-Zelle ist relativ simpel: Wenn Sonnenlicht (mit genügend Energie, d.h. passender Wellenlänge) auf die Grätzel-Zelle trifft, schlagen die Photonen ein Elektron aus einem Farbstoffmolekül heraus. Diese Elektronen wandern dann durch die TiO2-Schicht zur Photoelektrode (untere TCO-Schicht) wo sie dann zu einem Verbraucher weitergeleitet werden. In der Zwischenzeit rückt ein Elektron aus der Gegenkathode (obere TCO-Schicht) nach und ersetzt das verlorengegangenen Elektron in dem Farbstoffmolekül.

Derzeit können Grätzel-Zellen jedoch noch nicht mit herkömmlichen Silizum-Solarzellen in kommerziellen Anwendungen mithalten. Der Grund dafür ist der schlechte Wirkungsgrad: Bei Verwendung von natürlichen Farbstoffen erreichen Farbstoffzellen einen Wirkungsgrad etwa 2% und bei synthetischen Farbstoffen von etwa 10-12%. Silizum-Solarzellen erreichen hingegen einen Wirkungsgrad von bis zu 20%. Daher konzentriert sich die aktuelle Forschung auf die Suche nach besser geeigneten Farbstoffen um den Wirkungsgrad der Grätzel-Zellen zu steigern.

 

Perlmutt

Sicher sind dir die glänzenden Schalen von Muscheltieren im letzten Urlaub am Meer aufgefallen. Diese bunt glänzende Beschichtung der Muscheln wird als Perlmutt bezeichnet. Es ist ein Verbundstoff, der sich durch hohe Strapazierfähigkeit, Härte und Bruchfestigkeit auszeichnet.

perlmutt stmBruchfläche eines Molluskenschalenfragmentes aus Perlmutt im Rasterelektronenmikroskop.
Quelle: wikimedia.commons, User: Fabian Heinemann, public domain

Im Wesentlichen besteht eine solche Beschichtung aus Calciumcarbonat (CaCO3) und Proteinen. Untersuchungen mit dem Elektronenmikroskop haben gezeigt, dass diese Schalen wie eine Mauer aufgebaut sind. Die Ziegel werden aus Calciumcarbonat geformt und die Proteine dienen als Mörtel. Der Entstehungsprozess dieser Beschichtung ist höchst interessant: Zuerst sondern die Muscheln ein Sekret aus verschiedenen Proteinen ab. Die Proteine bilden dann kleine Räume in denen sich Meerwasser gemeinsam mit Calciumatomen und Kohlenstoffionen ansammelt. Da die Protein-Wände teilweise unterschiedliche elektrische Ladungen tragen, lagern sich Ionen an und können gemeinsam mit dem Calcium und dem Meerwasser Calciumcarbonat-Kristalle und daraus größere Plättchen bilden (siehe Abbildung rechts). Der Durchmesser dieser Plättchen beträgt in etwa 15 µm und die Dicke etwa 500 nm, dass heißt es handelt sich hier im weiteren Sinn wieder um Nanostrukturen. Aufgrund dieser Bauweise übersteigt die Härte dieser Beschichtung das Doppelte aller uns zur Zeit bekannten Hightech-Keramiken. Außerdem müssen sich Risse um die Calciumcarbonat-Plättchen herum winden, wenn sie sich ausbreiten wollen, wodurch die Bildung durchgängiger Risse und Brüche weiter erschwert wird.

Die beiden Eigenschaften Härte und Bruchzähigkeit in synthetischen Materialien zu kombinieren ist schwierig. Denk z.B. an die Porzellanteller zuhause im Geschirrschrank - sie sind extrem hart, doch auch leicht zerbrechlich. Forschern des Leibniz-Instituts für Interaktive Materialien (DWI) in Aachen gelang es diese beiden Eigenschaften in einem Material zu kombinieren. Sie entwickelten einen perlmuttartigen Nanowerkstoff. Die Wissenschaftler setzten dabei auf einen Selbstaufbaueffekt ('bottom-up'-Herstellung, siehe Artikel 6: Wie werden Nanoteilchen hergestellt?), bei dem sie Schichtsilikat-Plättchen mit Polyvinylalkohol umhüllten und dann aushärten ließen. Das Ergebnis ist ein Werkstoff, der dem Perlmutt in seiner Struktur stark ähnelt. Insbesondere zeichnet sich dieses Material durch hohe Gasundurchlässigkeit sowie Temperaturbeständigkeit aus.

Mehr Informationen zu den Ergebnissen der Aachener Forschungsgruppe kannst du hier finden: www.labo.de, www.mpg.de, www.springerprofessional.de. Auch französische Wissenschaftler der Université Lyon versuchen die Perlmutt-Strutkur nachzuahmen. Mehr Details findest du hier: www.faz.net.

 

Der Gecko und seine Füße

Jeder kennt die bunten Geckos, die quer durch ihre Terrarien wandern, egal ob an den Seitenwänden oder an der Decke. Dabei spielt es für sie keine Rolle, ob sie über Glas, Beton, Holz oder schmutzige Oberflächen laufen. Ihre Füße tragen bzw. halten ihr Gewicht unabhängig von der Beschaffenheit der Oberflächen und ohne Zuhilfenahme von Sekreten. Doch was steckt dahinter?

Im folgenden Bild sind Aufnahmen eines Geckos sowie Vergrößerungen seiner Füße dargestellt. Die mesoskopische Aufnahme (oben Mitte) zeigt uns, dass die Zehen seiner Füße von Lamellen bedeckt sind. Sie werden als Scansors bezeichnet. Eine detaillierte Aufnahme einer dieser Lamellen ist im rechten Bild zu sehen. Man kann erkennen, dass eine Lamelle aus vielen Borsten, den sogenannten Setae, besteht. Das untere Bild zeigt uns eine einzelne Borste (Seta) sowie eine Großaufnahme der Borstenspitze, Spatulae genannt, als Detail. In der Nahaufnahme kann man noch weitere Härchen erkennen. Die Spatulae (lat.: Schäufelchen) haben eine Breite von etwa 200 nm, ihre Dicke beträgt jedoch nur etwa 10-15 nm. Auf diesem engen Raum können sich nur mehr ein paar Keratin-Moleküle, aus welchen die Spatulae bestehen, anordnen. Keratin kommt auch in unseren Haaren und Fingernägeln vor und ist dort für die Festigkeit verantwortlich. Da diese Härchen so fein sind, können sie sich ohne Probleme an jede Oberfläche anschmiegen. Wie man erkennen kann befinden sich viele dieser Spatulae Härchen auf einer Borste und unzählige Borsten auf einer Lamelle. Insgesamt befinden sich etwa eine halbe Milliarde Spatulae Härchen auf einem Gecko-Fuß.

geckoFeetAufnahmen der Gecko-Füße im Mikro- und Nanometerbereich.
Quelle: commons.wikimedia, User: Douglasy, CC BY-SA 3.0

 

Aufgabe 1: Jedes Spatulae Härchen kann in etwa 200 nN/cm$^{2}$ Last tragen und auf einem Fuß befinden sich etwa eine halbe Milliarde solcher Härchen. Schätze die Gesamttragkraft der Geckofüße ab.

Doch wieso halten die Spatulae Härchen an Oberflächen? Die Hauptursache für den Kraftschluss zwischen Spatulae und einem Untergrund ist die van-der-Waals Kraft. Sie ist eine schwache Kraft, die sich zwischen Atomen und Molekülen durch nicht-kovalente Wechselwirkung ausbildet (vgl. kovalenter Bindung und Ionenbindung). Aber es ist nicht nur die van-der-Waals Kraft, die hier eine Rolle spielt. Rastertunnelmikroskopuntersuchungen (mehr dazu in Artikel 6: Wie werden Nanostrukturen hergestellt?) haben gezeigt, dass ein zusätzlicher Wasserfilm zwischen Spatulae und Untergrund die Haftung auf das Doppelte erhöhen kann. Man spricht hierbei vom Kapillar-Effekt. Für mehr Infos siehe: www.hamm-chemie.de.

Die möglichen Anwendungen des Geckofuß-Prinzips sind vielzählig. Bereits jetzt haben US-Forscher ein Superklebeband entwickelt, dass aus Kohlenstoffnanoröhren besteht und etwa 100 N/cm$^{2}$ an Haftkraft aufnehmen kann. Die Wissenschaftler haben das demonstriert, indem sie ein 1,5 kg schweres Buch auf einem nur 4 mm$^{2}$ großem Stück des Superklebebandes an der Wand befestigten. Das einziges Problem: die Haftkraft wirkt fast nur senkrecht zur Klebebandfläche. Bei seitlicher Belastung löst sich das Klebeband sehr leicht ohne Rückstände an der Oberfläche zu hinterlassen. Dies ist aber auch jener Mechanismus, der hinter der Gecko-Fortbewegung steckt - indem sie ihre Füße in einem bestimmten Winkel von der Oberfläche anheben, können sie glücklicherweise die starke Haftkraft überwinden...

Der Einsatz von Kohlenstoffnanoröhrchen als Bestandteil des Superklebebandes bringt auch andere Vorteile mit sich. Wie wir bereits wissen, leitet Graphen elektrischen Strom sehr gut und Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen aus einer aufgerollten Graphenschicht. Dadurch ist das Superklebeband auch zur Stromleitung geeignet und es wäre möglich, dieses Klebeband z.B. für elektrische Bauteil in der IT Branche zu verwenden. Ein weiterer Anwendungsbereich für das Klebeband könnte die Raumfahrt sein. Klebestoffe, die derzeit in der Raumfahrt verwendet werden, haben den Nachteil, dass sie über längere Zeit austrocknen und somit ihre Haftbarkeit verlieren. Da das "Gecko-Tape" rein durch die van-der-Waals Kraft an Oberflächen haftet, ist die maximale Einsatzdauer bei solchen Bedingungen nahezu unbegrenzt.

Abschließend noch ein kurzes Video in dem man Geckos und ihre Füße bei der Arbeit beobachten kann:

Weiterführende Literatur zum Thema natürliche Nanomaterialien:

-  SCHODEK, Daniel L.; FERREIRA, Paulo; ASHBY, Michael F. Nanomaterials, nanotechnologies and design: an introduction for engineers and architects. Butterworth-Heinemann, 2009: Kapitel 2

- Die Grätzelzelle – eine Solarzelle für die Zukunft?: www.weltderphysik.de

- Die Farbstoffsolarzelle (Grätzelzelle): www.energy-in-motion.berlin

- Mit unbeschränkter Haftung – wie Gecko & Co die Materialforschung inspirieren: www.hamm-chemie.de

- GOODSELL, David S. The machinery of life. Springer Science & Business Media, 20

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