Natur innovativ: Was die Seide superstark macht

Cambridge (USA) - Stärker als Stahl und doch biegsam und dehnbar – was Spinnen und Seidenraupen herstellen, können US-Forscher zwar noch nicht nachmachen, aber nun immerhin erklären. Sie simulierten die Molekülstruktur von Seide im Computermodell und zeigten dabei im Detail, wie sich die Moleküle bewegen und miteinander zusammenhängen. Ihr Fazit: Die Seidenproteine, kleine Kristallscheiben wie aufgestapelte Pfannkuchen, sind nur durch schwache Wasserstoffbrücken verbunden. Doch gerade das macht die Struktur stark - werden sie überansprucht, brechen sie leicht, aber nicht alle auf einmal und bilden sich außerdem schnell neu. Hingegen sind harte Materialien meist spröde, weil ihre starken kovalenten Bindungen weniger leicht, aber dann gleichzeitig und endgültiger brechen, berichten die Forscher im Fachblatt "Nature Materials". Ihre Erkenntnisse könnten in absehbarer Zeit zum Entwickeln neuer starker Materialien führen, die dank reichlich vorhandener Grundsubstanzen leicht und günstig zu produzieren wären.

"In den meisten technisch hergestellten Materialien - wie Keramik - geht hohe Stärke mit Sprödigkeit einher – sobald Formbarkeit hinzukommt, werden Materialien schwach", erklärt Markus Buehler, Professor im Department of Civil and Environmental Engineering das Massachusetts Institute of Technology (MIT). Seide hingegen sei elastisch und doch stark, weil die innere Schwäche sich als Stärke herausstelle. Buehlers Team hatte die interne Geometrie von Seidenfasern näher untersucht und simuliert. Ein Teil der Seidenproteine bildet dünne Kristallscheiben, so genannte Beta-Faltblätter, die - alternierend zum hohen Turm gestapelt - über feinste Filamente verbunden sind. Diese Anordnung der Seiden-Nanokristalle erlaubt es den Wasserstoffbrückenbindungen, aneinander angrenzende Stapel gegen äußere Krafteinwirkung zusammen zu halten. Dies macht die Seide außerordentlich stark und dehnbar, so die Forscher.

Überrascht stellten Bühler und Kollegen beim Simulieren fest, dass die Größe dieser Seidenkristalle eine kritische Rolle spielen: Bei rund drei Nanometern Durchmesser ist die Seide ultrastark und formbar, sind sie etwas größer als fünf Nanometer, so wird das Material spröde und brüchig.

Für künftige Materialentwickler haben die Erkenntnisse Rezeptcharakter: Buehler vermutet, dass sich die Struktur auf eine ganze Klasse biologischer Materialien übertragen ließe, von Pflanzenfasern bis Holz - um neuartige Fasern, Garne, Stoffe oder Ersatzgewebe herzustellen. Zurzeit testet das Team, ob sich die Struktur der Seide auch umsetzen lässt, wenn man statt der Proteine Substanzen wie Kohlenstoffnanoröhrchen verwendet, die in sich schon mehr Stärke besitzen.