Bionische Superkleber




SuperkleberIn Zukunft wird nicht geschraubt, sondern geklebt und zwar mit bionischen Superklebern. Immer mehr geraden dabei ganz besondere Meeresbewohner in den Fokus von Forschern und Wissenschaftlern. Diese sind geradezu euphorisch, was die Klebeleistung und Eigenschaften bionischer Superkleber angeht. Organische Kleber werden unsere Zukunft neu gestalten. Besonders profitieren werden dabei Medizin, Automobilindustrie, Bauindustrie sowie Luft- und Raumfahrtunternehmen.

Klebstoffe sind aus Industrie und Handwerk kaum mehr wegzudenken. Man klebt überall. Ob in der Automobil-, Luftfahrt-, Schienenfahrzeug- und Schiffbauindustrie oder im Lebensmittel-, Medizin- und Hygienebereich – Hightech-Kleber fügen Werkstoffe schonend und bombenfest zusammen. Aber auch in den eigenen vier Wänden ist ein Leben ohne Klebstoffe kaum mehr vorstellbar. Klebstoffe helfen Zerbrochenes wieder zusammenzufügen, Briefmarken haften an Briefumschlägen und Postkarten und ein abgeknickter Absatz ist ebenfalls schnell wieder am so geliebten Schuh befestigt. Speziell die Anwendung von Hightech-Superklebern gewinnt in der Industrie sehr stark an Bedeutung, was auf die Verwendung ganz bestimmter Materialien, wie beispielsweise Kohlefaser, zurückzuführen ist. Ob Windschutzscheiben im Pkw, Anbauteile aus speziellen Verbundwerkstoffen bei Schienenfahrzeugen, Autos oder sogar der kohlefasernverstärkte Kunststoff-Rumpf des Airbus A3XX – es wird geklebt, was das Zeug hält. Wobei sogar völlig unterschiedliche Materialien wie beispielsweise Kunststoff und Aluminium bzw. Verbundwerkstoffe und Stahl dauerhaft zusammengefügt werden. Das die Industrie das Kleben zunehmend für sich entdeckt hat, liegt vor allem in der Tatsache begründet, dass die empfindlichen Materialien schonend zusammengefügt werden. Sie werden weder erhitzt (Schweißen oder Löten) oder gar verletzt (Nieten und Schrauben) und behalten somit ihre zum Teil einzigartigen Materialeigenschaften. Und dabei ist das Kleben, wie wir es heute kennen, noch gar nicht einmal so alt. Der populäre und bis heute in der Klebetechnik verwendete synthetische Rohstoff ist das Polyvinylacetat. Der Stoff wurde 1914 patentiert und begann seines Siegeszug etwas später in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts. Der industrielle Durchbruch gelang jedoch erst in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts, als die Produktion von Cyanacrylat-Klebstoffen aufgenommen wurde. Mit diesen Komponenten gelang der Klebstoffindustrie der große Durchbruch im Bereich der Metall- und Kunststoffverbindungen.

Muscheln und Seesterne wissen wie´s geht

Zwar setzt die Industrie nach wie vor auf Kleber mit synthetischer Basis, doch rückt immer mehr die Natur mit ihren einzigartigen Fähigkeiten in den Fokus der Wissenschaftler und Unternehmen, die Kleber produzieren. Und in einem ist man sich einig: Die zukünftigen „Klebeweltmeister“ kommen nicht mehr nur aus den Chemielabors der Industrie, sondern werden zunehmend der Natur entlehnt. Bioniker und Techniker suchen in der Pflanzen- und Tierwelt nach natürlichen Klebern, um sie industriell nutzbar zu machen. Und sie haben Erfolg. Die Natur bietet eine Fülle an natürlichen Klebstoffen, die ungemein leistungsfähig sind und nur darauf warten technologisch genutzt zu werden.

Für Zahnärzte und Chirurgen besonders interessant ist das Sekret der Miesmuschel. Diese kleinen Meeresbewohner sondern ein besonderes Sekret ab, um sich bombenfest an Felsen zu haften. Diese Art von Klebeverbindung übersteht selbst heftigste Seestürme und schwerstes Unwetter. Was die Forscher hierbei besonders interessant finden, ist die Fähigkeit der Muschel organisches Material (die Muschel selbst) mit anorganischem Material (der Fels) symbiotisch dauerhaft zu verbinden – eine Fähigkeit, die derzeit kein chemischer Klebstoff aufweisen kann. Zahnärzte bemängeln dies immer wieder, wenn es um die Festigkeit von Implantaten geht, die sich nicht selten lockern oder gar ausfallen. Der Grund hierfür: Das Gewebe umschließt das fremde Material nicht richtig und in den Spalt können Bakterien eindringen. Diese Lücke soll künftig eine Paste nach dem Vorbild der Miesmuschel verhindern. Der neue bionische Kleber soll das Implantat lückenlos mit dem Zahnfleisch verbinden und fest verankern. Neben den Dentalmedizinern sollen auch Chirurgen von dem neuen Klebstoff profitieren. Auch Sie haben das Problem, dass sie oft Dinge nicht richtig fixieren können – eine bionischer Kleber würde da mit Sicherheit Abhilfe schaffen. So wäre es durchaus denkbar Herzklappen zu befestigen oder Risse in inneren Organen zu schließen oder gar perforierte innere Organe einfach wieder zusammenzukleben. Die Eigenschaft des Miesmuschelsekrets, dass es Kunststoffe oder Metalloberflächen mit Naturmaterialien dauerhaft verbinden kann, macht es ebenso für Implantate höchst attraktiv. Aber nicht nur die Medizin ist an dem Zaubermittel aus den Tiefen des Ozeans interessiert. Auch die Chemiegiganten sehen enormes Potential in dem Sekret der Miesmuschel. Es ist ungiftig und damit umweltverträglich, da das Material hauptsächlich aus Eiweißen besteht. Kommerzielle, synthetische Produkte bestehen hauptsächlich aus chemischen Verbindungen, die nicht in größeren Mengen in den Körper bzw. die Umwelt gelangen sollten. Und eine weitere Eigenschaft macht den Kleber zum begehrten Kandidaten – er hält auch in feuchten Umgebungen. Beim Befestigen von Dingen jedweder Art unter Wasser versagen nämlich industrielle Klebstoffe völlig, wie bei fettigen Oberflächen übrigens auch. Stichwort „Unterwasser“: Unsere Meeresbewohner weisen die größte Vielfalt unter den bionischen Superklebern auf – die Vielfalt ist dabei ungemein groß und so gut wie gar nicht erforscht bzw. überhaupt entdeckt.

In den Fokus des Interesses der Wissenschaftler rückt auch zunehmend der Seestern. Er verfügt über einen der stärksten Klebstoffe überhaupt. Will man einen Seestern gewaltsam von seinem angestammten Platz entfernen, brechen viele seiner Haftbeinchen am Boden einfach ab. Und trotzdem sind Seesterne keine „festverankerten“ Wesen am Meeresgrund, vielmehr sind sie Wanderer. Was erst einmal wie ein Paradoxon klingt, ist eine einzigartige Fähigkeit. Forscher entdeckten ein sehr aufwendiges Wechselspiel verschiedener natürlicher Klebesubstanzen. Um am Boden zu haften, sondern Seesterne ein sehr starkes und schnell klebendes Gel ab. Besteht das Bestreben den Standort zu wechseln, heben die Seesterne die Klebewirkung innerhalb weniger Augenblicke mittels ein bionischen Lösungsmittel auf.

Caulobacter Crescentus – der Superman unter den bionischen Klebern

Auch wenn Seesterne, Miesmuscheln und andere Meeresbewohner erstaunliche Klebeeigenschaften aufweisen – der König unter den kleberproduzierenden Lebewesen ist klein und unscheinbar. Es ist eine Mikrobe mit Namen Caulobacter Crescentus, die eine Substanz absondert, welche heutigen Superklebern unfassbar weit überlegen ist. US-Forscher entdeckten diese erstaunliche Substanz, die so stark klebt, dass sie ein Gewicht von mehr als einer Tonne an einem Ein-Cent-Stück festhalten könnte. Damit ist es die am stärksten klebende Substanz, die jemals entdeckt wurde. Caulobacter Crescentus ist eine Bakterie, die eigentlich fast überall zu finden ist – hauptsächlich in Flüssen und Wasserleitungen. Um hohen Fließgeschwindigkeiten zu trotzen und an Ort und Stelle zu verharren, verfügt jede Bakterie über ein Haftorgan an dessen Ende ein kleiner Saugnapf sitzt. Und dieses Haftorgan ist das Interessante an der Bakterie. Es ist mit einer Schicht aus Polysacchariden überzogen, die an jeder Oberfläche perfekt anhaften kann. Forscher von der Brown University in Providence wollten die Klebkraft des erstaunlichen Bakteriums testen und erlebten eine saftige Überraschung – alle Verfahren waren viel zu schwach, um die Haftfähigkeit zu analysieren. Schließlich gelang es ihnen doch noch ein geeignetes Messverfahren zu entwickeln und man war erneut überrascht. Um eine einziges Bakterium von einer Glasoberfläche zu lösen, war eine Kraft von etwa einem Mikronewton notwendig. Hochgerechnet könnte ein solcher Klebstoff auf der Fläche eines Eurocent-Stücks ein Gewicht von 1,3 Tonnen halten. Bis eine industrielle Produktion des Bakterien-Superklebers, aber auch des Muschelklebers beginnt, werden laut Forschern noch mindestens 20 Jahre ins Land ziehen. Eine große Herausforderung dabei ist, große Mengen des Caulobacter Crescentus-Klebers herzustellen, ohne dass er an allem kleben bleibt, was bei der Herstellung des Superklebers notwendig ist.

Kurzinfo: Kleber – ein Stoff mit Historie
Kleber ist ein Stoff mit langer Historie. Bereits die Mesopotamier benutzten 4000 v. Chr. Asphalt zu Bauzwecken, und rund 1000 Jahre später kannten die Sumerer das Herstellen von Leim aus tierischen Häuten. Auch die Ägypter setzten um 1500 v. Chr. auf tierische Leime für Furnierarbeiten. Die erste europäische Leimfabrik wurde 1690 in Holland gegründet. Den ersten gebrauchsfertigen Pflanzenleim erfand 1889 Ferdinand Sichel. Das Zeitalter der Klebstoffe auf Basis synthetisch hergestellter Rohstoffe begann aber erst 1909, als ein Verfahren zur Phenolharz-Härtung zum Patent angemeldet wurde.

Kurzinfo: Klebstoffe, die sich selber kitten
Bionik-Forscher sind derzeit dabei natürliche Materialien zu entwickeln, die ihre Verletzungen selber abdichten können und somit keine menschliche Reparatur mehr nötig machen. Vorbild hierbei sind pflanzlichen Selbstreparaturmechanismen inklusive komplexer Klebeeigenschaften. Vor allem die Industrie hat ein sehr großes Interesse an derartigen sich selbst reparierenden Hightech-Materialien. Beispielsweise möchten die schweizerischen Unternehmen Prospective Concepts AG in Zürich und Airlight Ltd. in Biasca ihre Tensairity-Leichtbautragwerke mit einem bionischen Kleberschaum beschichten, um die dünnen Hüllen bei Verletzungen zu schützen. Der Begriff Tensairity setzt sich aus den englischen Begriffen für Spannung (tension), Luft (air) und Zusammenhalt (integrity) zusammen.

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2 Kommentare

  1. Hallo,
    ich bin auf diesen Artikel gestoßen, weil ich durch das Wort „Bionik“ neugierig wurde. Zufällig studiere ich dieses Fach. Ich frage mich allerdings, wie dieser Superkleber in der Technik umgesetzt wird. Insbesondere bei der Miesmuschel klingt es in dem Artikel danach, dass einfach das Klebesekret der Miesmuschel „aufgefangen“ und in technischen sowie medizinischen Bereichen eingesetzt ist. Nun muss ich aber leider als Bionik-Studentin präzisieren, dass das Prinzip der Bionik darauf beruht, eine Grundidee, also ein Prinzip, aus der Natur abzuschauen, zu abstrahieren und auf eine technische Problemstellung zu beziehen. Dabei wird keinesfalls ein natürliches Produkt wie das Sekret der Miesmuschel direkt verwendet. Da befindet man sich vermutlich eher im Bereich der Biotechnologie.
    Ich möchte keine Kritik üben an diesem detailreichen und sehr interessanten Artikel, aber aufgrund meines Studiums juckt es mich da einfach in den Fingern. Mein Ziel ist es einfach, den Begriff Bionik ein wenig verständlicher für die Allgemeinheit zu gestalten, da mir bewusst ist, dass dafür Aufklärungsbedarf herrscht. Schließlich ist dieses Fach noch nicht sehr lange populär.
    Liebe Grüße

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