Aus der Forschung der Nutzer: Wie Wasser Glas bewegt
Eine neue Generation von Sensoren: die Schuppen des "versteinerten" Kiefernzapfens biegen sich bei Befeuchtung gegen die Schwerkraft aufwärts und beim Trocknen wieder zurück. © WZS
Pflanzen nutzen Kapillarkräfte, um Flüssigkeit hochzuziehen. Dafür besitzen sie ein Netz aus dünnen Röhren (Kapiilaren), das auch dafür sorgt, dass sich das Material bei Flüssigkeitsaufnahme ausdehnt. Auch bei Zapfen von Nadelbäumen verhält es sich so. Ein Team am Lehrstuhl für Biogene Polymere der Technischen Universität München (TUM) am Wissenschaftszentrum Straubing (WZS) hat nun die pflanzlichen Bestandteile durch Silikatglas ersetzt. Dabei stellten sie fest, dass sich auch die Schuppen des künstlich versteinerten Zapfens bei Aufnahme von Feuchtigkeit bewegen. Untersuchungen an der Synchrotronquelle BESSY II in Berlin zeigten, dass die innere Struktur des Kiefernzapfens auch im fossilisierten Zustand bin in den Nanometerbereich erhalten bleibt. Die Arbeit legt Grundlagen für eine neue Generation von Sensoren.
Mit einem speziellen Verfahren lassen sich Kiefernzapfen künstlich versteinern. Dabei werden die biologischen Bestandteile vollständig in das technische Material Silikatglas umgewandelt. „Wir haben ein zuvor entwickeltes und verfeinertes ‚Bio-Templatierungsverfahren‘ zum ersten Mal für die Herstellung eines Materials mit strukturbasierter Funktion verwendet“, sagt Dr. Daniel Van Opdenbosch vom WZS. Aufwändige Untersuchungen an der Synchrotronquelle BESSY II in Berlin zeigten, dass dabei die innere Struktur des Kiefernzapfens erhalten blieb. Vor allem wurde der Zapfen durch das neue Templatierungsverfahren komplett versteinert bis hinunter auf die Ebene von millionstel Millimetern.
„Wir konnten zeigen, dass sich der transformierte Körper wie sein biologisches Original bei Feuchtigkeitsaufnahme bewegt“, erklärt Van Opdenbosch weiter, „die Schuppen der versteinerten Zapfen biegen sich bei Befeuchtung gegen die Schwerkraft aufwärts und beim Trocknen wieder zurück in ihre Ausgangsposition.“ Durch das genaue Abformen von Pflanzenstrukturen bei Erhalt ihrer charakteristischen Eigenschaften versprechen sich die Wissenschaftler neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Funktionsmaterialien.
Sensoren mit geringem Technikaufwand herstellbar
Basierend auf den bisherigen Ergebnissen könnten poröse keramische, mehrlagige Sensoren mit relativ geringem technischem Aufwand produziert werden. Diese neuen Sensoren reagieren auf Feuchtigkeitsveränderung mit Bewegung. Damit ließen sie sich in chemisch aggressiven und physikalisch anspruchsvollen Umgebungen einsetzen, um verlässlich messen, schalten und steuern zu können.
Herkömmliche bimetallische oder zweilagige Aktuatoren sind wegen ihrer Zusammensetzung aus Metallen oder Kunststoffen anfällig für eine Zersetzung durch Korrosion, Säuren und Basen, Oxidation, hohe Temperaturen und Strahlung. Gegen alle diese Einflüsse sind Keramikoxide im besonderen Maße widerstandsfähig.
Das Projekt „Hierarchically structured porous ceramics and composites from nanocasting of plant cell walls“ wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1420 „Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials“ durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert.
Beteiligt waren das Straubinger Team um Daniel Van Opdenbosch, eine Gruppe vom Institut für Physik der österreichischen Montanuniversität Leoben und ein Team vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam.
Die Forschungsergebnisse sind im Fachjournal „Advanced Materials“ 2016, DOI 10.1002/adma.201600117 publiziert.
Die Originalinfo aus dem WZS finden Sie hier:
Tipp: Zu diesem Thema gibt es ein anschauliches Video
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.
- Innovative Batterie-Elektrode aus Zinn-SchaumMetallbasierte Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus versprechen deutlich höhere Kapazitäten als konventionelle Graphit-Elektroden. Leider degradieren sie aufgrund von mechanischen Beanspruchungen während der Lade- und Entladezyklen. Nun zeigt ein Team am HZB, dass ein hochporöser Schaum aus Zinn den mechanischen Stress während der Ladezyklen deutlich besser abfedern kann. Das macht Zinn-Schäume als potentielles Material für Lithium-Batterien interessant.