„Es geht immer darum, von der Natur zu lernen“

Prof. Dr.-Ing. Swantje Bargmann von der Bergischen Universität Wuppertal beschäftigt sich mit Grundlagenforschung – © Melanie Bremer

Experimente mit dem biologischen Material werden von Kooperationspartnern in Südkorea und Österreich durchgeführt. Die Ergebnisse der Experimente und Simulationen werden dann zusammen mit weiteren Partnern aus den USA, Niederlanden, Südafrika und Singapur ausgewertet. „Es geht immer darum, von der Natur zu lernen. Uns interessiert der Aufbau der Struktur, d.h. uns interessiert, wie man die Materialien ersetzt.“

Das härteste Material der Welt

Vor knapp zwei Jahren machte Swantje Bargmann international auf ihr Fachgebiet aufmerksam, als sie gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den USA, Singapur, Österreich, den Niederlanden und Deutschland herausfand, dass die Zähne der Napfschnecke das stärkste auf der Erde vorkommende natürliche Material sind. „Die Napfschnecken findet man überall in den Meeren dieser Welt“, erzählt sie. „Die sind ungefähr 4×4 cm groß und haben klitzekleine Zähne, die man so mit dem bloßen Auge nicht sehen kann. Diese Zähne sind ein wenig gekrümmt, und damit kratzen sie ihre Nahrung vom Stein ab. Deshalb müssen die so hart sein.“ Swantje Bargmann und ihr Team schauen sich die Mikrostruktur davon an, d.h. den genauen inneren Aufbau des Zahns und übertragen ihre Erkenntnisse dann auf andere ingenieurwissenschaftliche Materialien.

© Bergische Universität

Napfschneckenforschung begann in Großbritannien

Als das stärkste natürliche Material der Welt galt lange Zeit die Spinnenseide. Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen an den Napfschnecken begannen 2015 in Großbritannien, weiß die Wissenschaftlerin, denn die Engländer beschäftigten sich schon länger mit den Zähnen der Tiere aus der Region und aus dem Meer. Man ahnte schon aufgrund der Ernährung der Schnecken, dass deren Zähne besonders hart sein könnten. Man kann sie kaum von den Steinen entfernen, da auch ihre Saugkraft enorm ist. „Wir haben hier 2018 mit den Untersuchungen angefangen und uns die Struktur der Zähne genauer angeguckt“, erklärt die Wissenschaftlerin. Nach vielen Tests konnte das Team eine weitere, noch unbekannte Eigenschaft der Zähne herausfinden, die dem Laien unerklärbar erscheint. „Das Material ist auxetisch“, weiß Swantje Bargmann.

Auxetisches Material

„Wenn ich etwas in eine Richtung ziehe, verkürzt es sich üblicherweise in die andere Richtung. So verhalten sich die allermeisten Materialien auf der Welt und das ist auch das Bild, was wir vor Augen haben. Das gilt aber nicht für die Zähne der Napfschnecke. Wenn ich daran ziehe, dehnt sich das Material in die eine und die andere Richtung aus“, erläutert die Forscherin. Was sich wie Zauberei anhört, erschließt sich selbst Fachleuten erst, nachdem sie mehrere Bilder gesehen haben und eine Vorstellung bekommen, wie das Material sich bewegt.

So sehen Napfschnecken aus, die es in allen Meeren gibt – ©  Swantje Bargmann

Prof. Dr. Swantje Barmann fährt fort: „Das war vorher nicht bekannt und das hatten wir auch nicht erwartet. So ist Forschung. Man guckt sich Sachen an, man versucht, Sachen zu verstehen und entdeckt dann Dinge, die man nicht erwartet. Da wird dann natürlich noch mehrmals der Versuchsaufbau überprüft und geschaut, ob man auch keine Fehler gemacht hat, wenn man etwas entdeckt, was üblicherweise nicht da ist. Wenn man wirklich neue Sachen auf hohem Niveau findet, muss man das erst einmal abklären, denn man muss sich ja sicher sein. Wir haben hinterher in Science Advances publiziert (Science Advances ist eine multidisziplinäre Open-Access-Fachzeitschrift, die Anfang 2015 gegründet wurde und von der American Association for the Advancement of Science herausgegeben wird. Das Themenspektrum der Zeitschrift umfasst alle Bereiche der Wissenschaft, Anm. d. Red.) und das ist dann ja keine Kleinigkeit mehr und dauert dementsprechend länger.“

Etwas größer, und dem Menschen näher, ist das Beispiel einer Kuhzitze, die die gleichen auxetischen Eigenschaften hat. Wenn also das Kalb saugt, wird die Zitze unter Zug gesetzt. Da sich die Zitze dabei verbreitert, kann die Milch ungehindert fließen.

Oberste Forschungsprämisse: Das Material muss stark und hart sein

Viele Materialien aus der Natur wurden bereits adaptiert und in der Produktentwicklung eingesetzt. „Jedes Material geht aber auch irgendwann kaputt“, sagt Bargmann, „und wir beschäftigen uns hier am Lehrstuhl grundsätzlich mit sehr festen Körpern. Wir sind an Materialien interessiert, die sehr lange halten, hohen Lasten standhalten und nachhaltig sind.“ Materialien sollen heute zudem auch möglichst leicht sein, denn das entlaste auch finanziell die Transportwege der Produkte. Swantje Bargmann holt einen Verpackungsabfall eines schwedischen Möbelherstellers hervor und sagt: „Wenn man sich früher bei diesem Möbelhaus einen Schrank, eine Schublade oder sonst irgendetwas kaufte, hatte man Holzpaletten mit Styroporschutz für die Materialien, damit beim Transport nichts beschädigt wurde. Und seit einigen Jahren arbeiten die mit Papier. Das ist Recyclingmaterial, und man kann es auch kompostieren. Es ist leichter als Styropor, besteht aus einem nachwachsenden Rohstoff und ist damit umweltfreundlich.“

Außer mit den Zähnen der Napfschnecke beschäftigen sich die Grundlagenforscher aber auch mit Zähnen anderer Tiere. „Wir haben mit der Kuh angefangen, weil man Kuhzähne relativ leicht bekommt. Der Kuhzahn besteht aus zwei verschiedenen Materialien, die man im synthetischen Werkstoff durch ganz andere ersetzen würde. Da geht es uns nicht darum, welches Material man konkret nimmt, sondern wir geben Tipps an Materialwissenschaftler, was für Eigenschaften dieses Material haben muss.“

Auch das Zahnmaterial eines australischen Kängurus wurde bereits untersucht. Dazu die Wissenschaftlerin: „Ein Lehrlabor hatte einen Schädel eines Kängurus, der heruntergefallen war und nicht mehr für deren Zwecke genutzt werden konnte. Die wussten aber, dass ich daran Interesse habe und haben mir den Schädel überlassen.“ Viele Materialien haben per se Risse, so auch unsere Zähne. Jedoch komme es selten vor, dass ein Zahn durchbreche.

Eine Napfschnecke – © BlueSnap / Pixabay

Swantje Bargmann beschäftigt sich auch mit der äußeren Schutzschicht von Muscheln, insbesondere Perlmutt, weil auch diese Schicht extrem hart ist. Sogar mit menschlichen Muskeln wurde simuliert, denn kleinste Mikrorisse im Muskelmaterial nehmen wir schmerzlich als Muskelkater wahr, der aber nach ein paar Tagen von selbst abklingt. Daher seien diese Materialien von großem Interesse für die Anwendung. „Wir versuchen also immer, die biologischen Strukturen zu verstehen, um dann die neuen Materialien vom Aufbau her zu designen.“

Produktentwicklung profitiert von Grundlagenforschung

Die aus den Simulationen generierten Erkenntnisse geben die Grundlagenforscher an die Materialwissenschaftler weiter. Dazu Swantje Bargmann: „Bei der Napfschnecke haben wir z. B. die Materialparameter verändert und geschaut, was dadurch passiert. Kann ich also die Materialeigenschaften der Napfschneckenzahnart erhalten, wenn ich da variiere? Und die Antwort ist meist: ja! Variation ist erlaubt. Manchmal ist es sehr wenig, weil ich sonst Verluste habe und dann ist da die Frage, ob ich diese dann toleriere. Und diese Informationen geben wir dann an Materialwissenschaftler weiter und publizieren sie.“ Bargmanns Grundlagenforschung hängt sozusagen vorne in der Nahrungskette, denn die von ihr weitergegebenen Erkenntnisse führen erst zur Herstellung des alternativen Materials. „Für ein Produkt brauche ich ein Material. Der nächste Schritt ist dann die Herstellung des Materials durch den Materialwissenschaftler. Dann muss es noch designt und in den Einsatz gebracht werden. Dafür haben wir dann den Produktentwickler.“ 

In Sachen Napfschneckenzähne tut sich auch bereits etwas. Die feinen Strukturen der Zähne wurden 2022 in einem englischen Labor der Universität von Portsmouth künstlich nachgebildet. Nun arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, diese künstlichen Napfschneckenzähne zu optimieren, denn das Material eignet sich u.a. zur Herstellung von schusssicheren Westen, die augenblicklich noch aus Kevlar, einem im Herstellungsprozess toxischen Material bestehen, dass auch nicht recycelt werden kann.

Prof. Dr. Swantje Bargmann betont abschließend, dass sie in ihrer Forschung nicht auf ein bestimmtes Material festgelegt ist und sagt: „Solange die Materialien toll und kompliziert sind und irgendetwas besonders gut können, finde ich die spannend.“

Uwe Blass

Prof. Dr. Swantje Bargmann – © Melanie Bremer

Über Prof. Dr. Swantje Bargmann

Prof. Dr.-Ing Swantje Bargmann leitet das Fachgebiet Computergestützte Modellierung in der Produktentwicklung in der Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik an der Bergischen Universität.