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Countdown 3: „Nature“ berichtet über an der BCI entwickeltes neuartiges Hydrogel

2016 gelang Prof. Jörg Tiller und Nikolaus Rauner ein spektakulärer Erfolg: Ihr bis zu 90 Prozent aus Wasser bestehendes, aber dennoch ultrasteifes und extrem zähes Hydrogel überzeugte das renommierte Wissenschaftsmagazin „Nature“, das über den Forschungserfolg berichtete (Volume 543, Issue 7645).
In Zukunft könnte das neue Material als druckstabile Trennmembran in der Meerwasserentsalzung oder als hochporöses Elektrodenmaterial für Batterien oder Brennstoffzellen zum Einsatz kommen.

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Bei der Entwicklung ihres Biomaterials, in die sie fünf Forschungsjahre investiert hatten, haben sich die Forscher von der Natur inspirieren lassen; genauer gesagt von der Biomineralisation, einem der faszinierendsten biochemischen Prozesse. Biomineralien kommen in Zähnen und Knochen, in Schneckenhäusern, Muscheln und Krabbenpanzern vor. Ihre extrem feinen Strukturen beschäftigen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen seit langem und liefern immer wieder Ansatzpunkte für die Entwicklung künstlicher Werkstoffe. Ein solcher künstlicher Werkstoff ist auch das Hydrogel, das Tiller und Rauner entwickelten und in der Fachzeitschrift „Nature“ beschrieben.

Was konnte ihr Hydrogel, was andere nicht können? Ein Hydrogel besteht fast nur aus Wasser. Es ist ein in Wasser gequollenes polymeres Netzwerk, vergleichbar mit der Götterspeise. Diese jedoch ist nicht umsonst als „Wackelpudding“ bekannt, denn sie ist weder steif noch zäh. Steif ist ein Material, das sich schwer verbiegen lässt, und zäh, wenn man es stark verbiegen kann, bevor es zerbricht. Hier setzte die Forschung von Tiller und Rauner an. Ihr Ziel war es, ein künstliches Hydrogel zu entwickeln, das ultrasteif und zugleich sehr zäh ist, denn steife Hydrogele gab es zuvor nicht. Durch eine besondere Nanostruktur schafften es die Forscher dann, aus dem „Wackelpudding“ ein glasartiges Material zu machen. Es besteht immer noch hauptsächlich aus Wasser, lässt sich aber nur mit Kraft verbiegen und ist dabei noch stark dehnbar. So kann es großem Druck standhalten, ohne zu brechen.

Dass das neue Hydrogel diese beiden wertvollen Eigenschaften vereint, liegt an seiner besonderen Struktur, die durch Biomineralisation erzielt wurde: Enzyme, sogenannte Phosphatasen, liegen extrem fein verteilt im Material vor. Sie dienen als Katalysatoren, die den Strukturbildungsprozess auslösen, bei dem die Mineralisation direkt im Material stattfindet. So entstand eine feste und wohlgeordnete Calciumphosphat-Nanostruktur, die für die besonderen Eigenschaften verantwortlich zeichnet. Die aufwendige Aufklärung der Strukturen gelang dabei Monika Meuris am Zentrum für Elektronenmikroskopie und Materialforschung (ZEMM) der TU Dortmund.

Die Forschung zu den Hydrogelen geht weiter. Tillers Lehrstuhl will in Zukunft die neue Art der Materialherstellung für den Nachbau von Muscheln oder Knochen nutzen.