Trocken und sauber unter der Erde

Die flüssigkeitsabweisenden Hautstrukturen von Springschwänzen

Der International Bionic Award der Schauenburg-Stiftung wurde am vergangenen Freitag an ein dreiköpfiges, interdisziplinär zusammengesetztes Team vom Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden verliehen. Die mit 10.000 Euro dotierte Auszeichnung erhielten Dr. rer. nat. René Hensel, Dr. rer. nat. Ralf Helbig und Dipl.-Biol. Julia Nickerl für ihre herausragenden Leistungen zur Entwicklung robuster, wasser- und ölabweisender Polymer-Membranen nach dem Vorbild der Hautstrukturen von Springschwänzen. Wir haben uns das einmal genauer erklären lassen.

Bild: Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.Springschwänze

Bild: Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.

Oft scheitern vielversprechende flüssigkeits- und schmutzabweisende Oberflächen an deren mechanischer Empfindlichkeit oder versagen, wenn ölige Flüssigkeiten im Spiel sind. Forscher vom Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden demonstrierten kürzlich ein neues – technisch durchaus umsetzbares-  Konzept, um diesen Problemen zu begegnen. Hierbei ließen sie sich von bodenbewohnenden Arthropoden, den Springschwänzen, inspirieren.

Springschwänze – unscheinbare Lebewesen mit besonderen Anpassungen
Springschwänze (Collembola) sind mit einer Körperlänge von 0,3 bis 8 mm sehr kleine Bodenbewohner, die weltweit einen wichtigen Beitrag zur Aufrechterhaltung des Ökosystems leisten. Sie sind entscheidend für einen gesunden Stoffkreislauf im Boden und gehören zu den Pionieren bei Entstehungsprozessen neuer Bodenhabitate auf jungen Inseln oder im Bergland. Im Gegensatz zur Tracheenatmung von Insekten atmen Springschwänze durch ihre Haut. Diese Eigenschaft veranlasst die Springschwänze sich ganz besonders anzupassen, denn für eine ungestörte Atmung muss die Haut der Springschwänze fortwährend trocken und sauber bleiben – und dies in einem Lebensraum mit reichlich Wasser und Schmutz.

Hautstrukturen mit ausgeklügelten Eigenschaften
Um diese Anforderung zu gewährleisten, haben die Springschwänze Strukturen entwickelt, die sich wie ein Netzwerk über die gesamte Hautoberfläche spannen. Genauer gesagt bestehen diese Strukturen aus Waben, die im Querschnitt pilzförmige Überhänge zeigen. Die Öffnungen der Waben ermöglichen den Gasaustausch für die Atmung wohingegen die Überhänge verhindern, dass Wasser sowie ölige Substanzen die Haut benetzen. Neben der Benetzungsresistenz sind die Wabenstrukturen auch mechanisch sehr stabil, wodurch sie für technische Umsetzungen potentielles Interesse wecken.

Waben mit enormem Potential
Grundlegende Untersuchungen im Labor konnten das Prinzip der flüssigkeits- und schmutzabweisenden Hautstrukturen aufdecken, und dienten bereits als Grundlage für ein neues Konzept hinsichtlich flüssigkeitsabweisender und mechanisch stabiler Beschichtungsmaterialien. Dadurch konnten flexible synthetische Polymermembranen hergestellt werden, welche die charakteristischen Merkmale und Benetzungseigenschaften der Hautstrukturen von Springschwänzen nachahmen. Dies zeigt in beeindruckender Weise wie die Natur geeignete Lösungen für alltägliche Probleme bereithält.

Das Projekt wurde in einem Kurzfilm anschaulich zusammengefasst:

Die Gewinner sind:
Julia Nickerl studierte an der Universität Wien und an der TU Dresden Biologie und promoviert seit 2011 im Bereich Bionik am Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien und dem Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden. Mit dem Projekt über die Springschwänze beschäftigte sich Julia Nickerl erstmals in ihrer Diplomarbeit mit dem Thema „Struktur, Funktion und Aufbau der Collembolencuticula“. In ihrer laufenden Promotion untersucht Julia Nickerl die chemische Zusammensetzung der Haut und den Einfluss der Chemie auf die abweisenden Eigenschaften der Haut von Springschwänzen.

Ralf Helbig studierte an der TU Dresden Physik und kam schon während der Diplomarbeit mit biologischen Themen in Kontakt. Anschließend wurde daraus eine bis jetzt andauernde Beschäftigung mit bionischen, bzw. biomimetischen Fragestellungen. Dazu gehörte die Untersuchung der Haft- und Fortbewegungsmechanismen von Insekten an Oberflächen und die Beteiligung an einem Projekt zur Entwicklung einer Beschichtung, die die Fortbewegung von Schadinsekten in Gebäuden behindert. In seiner Dissertation legte Ralf Helbig die Grundlagen zur Aufklärung des biomimetischen Potentials, also der benetzungs- und verschmutzungsresistenten Eigenschaften, der Springschwänze.

René Hensel studierte an der TU Dresden Werkstoffwissenschaft. Während seiner Diplomarbeit erarbeitete er sich die mikrotechnologischen Fertigkeiten, die als Grundlage für die Herstellung bioinspirierter Polymermembranen dienten, während er am Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien und Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden promovierte. Seit April 2014 ist René Hensel wissenschaftlicher Mitarbeiter am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken und seit Oktober 2014 stellvertretender Gruppenleiter des Programmbereichs Funktionelle Mikrostrukturen.

Bild: VDIInternational_BionikAward_Sieger2014

Repräsentant der Schauenburg-Stiftung Marc Schauenburg mit den Preisträgern Dipl.-Biol. Julia Nickerl, Dr. rer. nat. Ralf Helbig, Dr. rer. nat. René Hensel

 

Weitere Informationen zum Bionic Award sowie die Ausschreibungsunterlagen für die Verleihung in 2016 gibt es unter www.vdi.de/bionic2016.

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