Von der Natur lernen: JKU Forscher nutzen Nanofaser-Verarbeitung von Spinnen

Wie jede Fliege weiß, sind Spinnfäden äußerst klebrig. Spinnen selbst sind dagegen auch nicht immun und mussten Methoden entwickeln, um sich nicht in ihren eigenen Netzen zu verfangen. Im Laufe der Evolution wurden sie so zu Experten für Nanofaser-Technologie. Einige Arten haben das Calamistrum entwickelt: eine Struktur an den Hinterbeinen, die wie ein Kamm aussieht und durch seine Oberflächen-Beschaffenheit dafür sorgt, dass die Spinne beim Weben des Netzes nicht an ihren eigenen Nanofaser-Spinnfäden hängenbleibt.

Arbeiten im kleinsten Maßstab

Das weckte die Neugier der JKU Forscher des Instituts für Medizin- und Biomechatronik und des Instituts für Angewandte Physik. In einem interdisziplinären Projekt entschlüsselten Studierende der Studienrichtungen Mechatronik, Mathematik und Medical Engineering gemeinsam mit Sebastian Lifka und weiteren Forschern die Mechanismen.

„Nanofasern sind weltweit immer häufiger in Anwendung, wie zum Beispiel in elektronischen Bauteilen, Osmoseanlagen zur Meerwasserentsalzung, in Brennstoffzellen oder auch in Hochleistungsfiltern“, erklärt Lifka. „Sie sind leicht und strapazierfähig, haben aber den Nachteil, dass sie wegen der sogenannten Van-der-Waals-Kraft sehr stark an Oberflächen haften bleiben.“ Damit umzugehen ist schwierig: Die industriell verwendeten Fasern sind zwischen 10 und 800 Nanometer dick. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ca. 70.000 Nanometern.

Spinnen-Methode brachte Lösung

Die Orientierung an der Spinnen-Methode brachte die Lösung des Problems. Gemeinsam mit Partnern aus der EU konnten die Oberflächen von Metallen und Kunststoffen so gestaltet werden, dass Nanofasern trotz der wirkenden Van-der-Waal-Kräfte nicht haften bleiben.

„Dazu haben wir uns vom Calamistrum der Federfußspinne Uloborus plumipes inspirieren lassen. Allerdings haben Spinnfäden andere Durchmesser und Eigenschaften als Industriefasern. Aber uns ist es gelungen, das Prinzip umzusetzen und auch entsprechend für technisch genutzte Fasern zu skalieren“, sagt Lifka.

Massive Reduktion der Haftung

In einem Pilotversuch hat sich der Ansatz bei einer Elektrospinnanlage schon bewährt. Bisher musste man kostspielige Zwischenschritte einbauen, um die fertigen Fasern von der Maschine ablösen zu können. Mit der neuen Methode können diese Schritte eingespart werden – eine Verbesserung, die auch in der Medizin Anwendung finden könnte.

In verschiedenen Versuchen zeigten die Forscher, dass die Haftung der Nanofasern mit der neuen Methode zwischen 60 und 95 Prozent geringer ausfällt. „Es kommt natürlich immer auf das Material an. Spinnt man zum Beispiel die Kunstfaser Polyamid auf Stahlelektroden, hat man eine Reduktion von 80 Prozent“, so die Forscher.