Künstlich verstärkte Spinnenfäden

Metallatome machen die Tierseide erheblich reißfester und elastischer.

Von Rainer Scharf

Spinnenseide hat nahezu konkurrenzlose Materialeigenschaften. Sie ist extrem reißfest und hochelastisch, zugleich ist sie außerordentlich leicht und kann - zumindest von Spinnen - unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen hergestellt werden. Doch nichts ist so vollkommen, dass es sich nicht noch verbessern ließe. Forscher vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle haben jetzt Spinnenseide noch reißfester und zugleich elastischer gemacht, indem sie Metallatome in die Spinnenfäden eingebaut haben.

Wie Seung-Mo Lee und seine Kollegen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Science" (Bd. 324, S. 488) berichten, ließen sie sich bei der Verbesserung des Naturprodukts Spinnenseide wiederum von der Natur inspirieren. Bei zahlreichen Insektenarten haben besonders stark beanspruchte Körperteile wie die Mundwerkzeuge einen recht hohen Gehalt an Metallen wie Zink oder Mangan, die die Steifigkeit und Härte des entsprechenden Biomaterials erhöhen. Die Forscher fragten sich, ob sich nicht auch Spinnenfäden durch den Einbau von Metallatomen fester und widerstandsfähiger machen lassen.

Um Metallatome in einen Spinnenfaden einzuschleusen, setzten die Forscher diesen abwechselnd für mehrere Sekunden Wasser und gasförmigen metallorganischen Substanzen aus und wiederholten diese Prozedur einige hundert Mal. Die Moleküle setzten sich dabei auf die Oberfläche des Fadens und wanderten dann in sein Inneres. Dort öffneten die Wassermoleküle die lockeren Wasserstoffbrückenbindungen der Seidenproteine, die dann vermutlich durch feste kovalente Bindungen der Metallatome ersetzt wurden. Auf diese Weise stellten die Wissenschaftler Spinnenfäden her, die Spuren von Zink, Aluminium oder Titan enthielten.

Die metallisierten Fäden wurden anschließend ebenso wie unbehandelte Spinnenfäden einem Belastungstest unterworfen. Dabei wurde gemessen, wie stark sich ein Faden dehnte, wenn er einer bestimmten Zugspannung ausgesetzt war. Die Zugspannung wurde langsam erhöht, bis der Faden schließlich zerriss. Das Ergebnis war überraschend. Während die unbehandelten Fäden einer Spannung von etwa einem Gigapascal standhielten und sich dabei um 30 Prozent dehnten, bevor sie zerrissen, hielten die metallisierten Fäden Zugspannungen von bis zu 4,5 Gigapascal aus und dehnten sich dabei um mehr als 70 Prozent. Die besten Ergebnisse zeigten die titanhaltigen Fäden. Zum Vergleich: Stahldraht hält nur Spannungen von 1,3 Gigapascal aus und ist längst nicht so elastisch.

Röntgenstrukturuntersuchungen der metallisierten Spinnenfäden zeigten, dass die Metallatome tatsächlich im Innern der Fäden saßen und die Proteinstruktur der Seide verändert hatten. Dabei waren winzige Proteinkristalle in Ketten umgewandelt worden. Wie diese Veränderungen im Detail aussehen und wieso sie die Materialeigenschaften der Spinnenseide so stark verbessern, sollen weitere Untersuchungen klären. Im Spinnenfaden stecken offenbar noch mehr Möglichkeiten, als man gedacht hatte. Ob man sie technisch nutzen kann, wird sich zeigen. Vielleicht hat die Natur ja noch weitere "Erfindungen" gemacht, die den Forschern die nötige Inspiration geben.

Text: F.A.Z., 29.04.2009, Nr. 99 / Seite N2