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reifer Mais auf dem Feld, Maiskolben

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Oberflächliche Mikrokratzer im Autolack sind harmlos, aber verschandeln die glänzende und makellose Oberfläche von Luxuskarossen. Ein neuer Lack von Saarbrücker Forschern soll nun Abhilfe schaffen: Aus Maisstärke gefertigt ist der Autolack in der Lage, wegen der besonderen Anordnung seiner Moleküle kleine Kratzer selbst zu reparieren. Den neuartigen Lack entwickeln Wissenschaftler der Universität des Saarlandes und des INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien gemeinsam.  

Für die netzartige Struktur der neuen Lacke verwenden die Wissenschaftler ringförmige Abkömmlinge der Maisstärke, sogenannte Cyclodextrine. Diese fädeln sie wie Perlen auf mikroskopische Kunststofffäden auf. In den so entstehenden sogenannten Polyrotaxanen sind die Perlen auf dem Faden frei beweglich, und werden durch sperrige Stoppermoleküle am Abfädeln gehindert. Über eine chemische Reaktion werden die Fäden anschließend über die Perlen miteinander vernetzt. „Das entstehende Netzwerk ist beweglich und elastisch wie ein Strumpf“, erklärt Gerhard Wenz, Professor für Organische Makromolekulare Chemie an der Universität des Saarlandes. Nach einem oberflächlichen Lackkratzer kleidet das Material die Lücke wieder aus und der Kratzer verschwindet binnen weniger Tage.

Bild Umweltfreundliche, ringförmige Cyclodextrine aus Maisstärke (grau) bilden die Grundlage des Autolack ...Bild Umweltfreundliche, ringförmige Cyclodextrine aus Maisstärke (grau) bilden die Grundlage des Autolacks der Kratzer von selbst repariert.                                  Quelle: Universität des Saarlandes„Das Besondere an unserem Ansatz ist die gute Umweltverträglichkeit“, betont Professor Wenz. „Die Cyclodextrine sind ein Naturmaterial, welches bereits industriell aus Maisstärke gewonnen wird. Wir wollen die chemischen Reaktionen nur in Lösungsmitteln durchführen, die unbedenklich für die Gesundheit sind.“ Zwar sei das Grundprinzip solcher Lacke schon aus Japan bekannt – sie ließen sich jedoch bislang nur mit teuren Ausgangsmaterialien und hochgiftigen Lösungsmitteln herstellen. „Unser geplantes Herstellungsverfahren soll schlussendlich ein klimafreundliches Produkt ohne Schadstoffemissionen bereitstellen, das auch von der Kostenseite überzeugt“, führt Wenz weiter aus. Für die Anwendung im großen Stil genüge es nicht, kleine Mengen im Labor zu erzeugen. Vielmehr müssen Verfahrenstechniken entwickelt werden, mit denen sich die Lacke in einer Pilotanlage im Kilogrammmaßstab herstellen lassen.

Auch das erfolgreiche Upscaling reicht nicht alleine für eine industrielle Anwendung aus. „Die Lacke müssen die Anforderungen der Automobilindustrie erfüllen. Dazu werden wir umfangreiche Testverfahren durchführen“, sagt Carsten Becker-Willinger, Leiter des Programmbereichs Nanomere am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken. Neben der Entwicklung wirtschaftlicher Applikationsverfahren, wie die Sprühtechnik über Roboter, sind umfangreiche Verkratzungs-, Klima- und Bewitterungstests geplant. Sie sollen den Beweis erbringen, dass die Lacke im Sinne der Automobilhersteller einsetzbar sind und die Kratzer auch wirklich innerhalb weniger Tage ausheilen. Bei all diesen Testreihen werden die üblichen ISO-Richtlinien der Lackindustrie berücksichtigt. „Nur wenn wir diese Normrichtlinien erfüllen, ist eine industrielle Anwendung denkbar“, fasst der Saarbrücker Forscher die geplanten Aktivitäten zusammen.

Hintergrund: Das Forschungsprojekt „Selbstheilende Fahrzeuglacke auf Basis von Cyclodextrin-Polyrotaxanen“ wird im Rahmen der Fördermaßnahme VIP+ mit insgesamt 1,1.Millionen Euro für drei Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Die Fördermaßnahme „VIP+ - Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials“ hat sich zum Ziel gesetzt, die Lücke zwischen ersten Ergebnissen aus der Grundlagenforschung und einer möglichen Anwendung zu schließen. Mit VIP+ werden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Vorhaben von bis zu drei Jahren mit bis zu 1,5 Millionen Euro gefördert.

Text: Dr. Carola Jung Presse- und Öffentlichkeitsarbeit INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien gGmbH,   Bilder: pixabay,   big merci

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Forscher des Max-Planck-Institutes Stuttgart haben winzige „Mikroroboter“ mit Eigenantrieb entwickelt, die Blei aus kontaminiertem Wasser entfernen oder organische Verschmutzungen abbauen können.
In Zusammenarbeit mit Kollegen in Barcelona und Singapur verwendete die Gruppe von Samuel Sánchez Graphenoxid zur Herstellung ihrer Motoren im Mikromaßstab. Diese können Blei aus Industrieabwasser adsorbieren und so in nur einer Stunde von einem Niveau von 1000 Teile pro Milliarde bis auf unter 50 Teile pro Milliarde reduzieren. Das Blei kann später zum Recycling entnommen und die Mikromotoren können immer wieder verwendet werden.

FischeRevolutionärer schadstofffreier Antrieb
„Die Außenhülle des Mikroroboters, welche aus Graphen besteht, fängt das Blei ein”, sagt Sanchez, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart und am Institute for Bio-Engineering of Catalonia (IBEC) in Barcelona. „Die innere Platinschicht funktioniert als Antrieb und zerfallendes Wasserstoffperoxid als Treibstoff, sodass der Roboter sich selbst antreiben kann.“ Wenn Wasserstoffperoxid dem Abwasser zugesetzt wird, zersetzt das Platin es zu harmlosem Wasser und Sauerstoffblasen, welche von der Rückseite des Mikroroboters zu dessen Antrieb ausgestoßen werden. „Es ist wichtig, ein System zur Schadstoffbeseitigung zu verwenden, welches keine zusätzliche Verschmutzung erzeugt“, erklärt Sanchez.
Zwischen dem Graphenoxid und den Platinschichten befindet sich eine Nickel-Schicht, welche es den Forschern ermöglicht, die Bewegung und Richtung des Mikroroboters magnetisch von außen zu steuern. „Ein Magnetfeld kann verwendet werden, um sie alle aus dem Wasser zu sammeln, wenn sie fertig sind“, sagt Sanchez. „Zukünftig könnten unsere Mikroroboter-Schwärme durch ein automatisiertes System gesteuert werden, welches sie mittels Magneten dazu bringt, verschiedene Aufgaben zu erfüllen.“

Winzige schwimmende Roboter reinigen das Wasser
Schwermetall-Kontaminierungen im Wasser – durch Blei, Arsen, Quecksilber und andere Metalle – entstehen durch Aktivitäten der Industrie und stellen ein großes Risiko für die öffentliche Gesundheit sowie für die Tierwelt dar. Diese neuen Mikroroboter – jeder davon ist kleiner als ein menschliches Haar breit ist – bieten eine Lösung, die potenziell schneller und günstiger als aktuelle Methoden der Wasserreinigung sind. Zudem sind sie umweltfreundlich: Sie ermöglichen den verantwortungsvollen Umgang mit den gesammelten Schadstoffen, da das Blei danach zum Recycling genutzt werden kann. Außerdem sind sie selbst wiederverwendbar.
Neben dem Abfangen von Schwermetallverunreinigungen studierten die Forscher auch selbst-angetriebene Microbots, die in der Lage sind organische Verschmutzungen abzubauen. Diese Microbots können nach deren Einsatz wiederhergestellt und ohne Wirkverlust für wiederholte Anwendungen für einen Zeitraum von bis zu 5 Wochen eingesetzt werden.

„Wir planen nun, unsere Mikroroboter weiterzuentwickeln, sodass sie auch andere Schadstoffe sammeln können. Auch werden wir an der Senkung der Kosten für ihre Herstellung sowie daran arbeiten, sie in großen Mengen herstellen zu können“, sagt Sanchez, der auch an Mikro- und Nanorobotern mit Eigenantrieb für Anwendungen wie etwa der Verabreichung von Medikamenten arbeitet.  

Text Annette Stumpf und Beitragsbild  Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme   sonstige Bilder pixabay, big merci

  ForschungMehr erfahren über sensationelle Forschungsergebnisse

Mammuts Eiszeit Säbelzahntiger

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Bereits vor 20.000 Jahren haben Jäger und Sammler möglicherweise gezielt Feuer eingesetzt und damit zur Entstehung des lichten Charakters der eiszeitlichen europäischen Landschaft beigetragen. Das legt eine kürzlich im Fachjournal "PLOS ONE" veröffentlichte Studie nahe, zu deren Autoren auch eine Senckenberg-Wissenschaftlerin gehört. Es wäre einer der frühesten Hinweise auf einen großflächigen Eingriff des Menschen in die natürliche Vegetation seiner Umgebung. Der Befund erklärt, warum Analysen von Sedimenten belegen, dass in der Eiszeit in Europa eine offene Steppenlandschaft vorherrschte, während Vegetationsmodelle ergeben, dass Teile Europas damals dichter bewaldet gewesen sein müssten.  

Rekonstruktion der letzten Kaltzeit Copyright: Mauricio Antón [CC BY 2.5], via Wikimedia CommonsRekonstruktion der letzten Kaltzeit Copyright: Mauricio Antón [CC BY 2.5], via Wikimedia Commons

Jäger und Sammler spielten mit dem Feuer
Mit der Eiszeit verbindet man vor allem ein Bild: Eine Landschaft aus klirrender Kälte und glitzerndem Schnee durch die Mammuts, Bisons und Wollnashörner streifen. Eine neue Studie legt nahe, dass es bisweilen aber recht hitzig zugegangen sein dürfte. „Wahrscheinlich haben Jäger und Sammler in der Eiszeit vorsätzlich Feuer gelegt und so dazu beigetragen, den offenen Charakter eiszeitlicher Steppenlandschaften in Europa zu schaffen und zu erhalten. Wo das Klima dichte Wälder zugelassen hätte, wurden durch den Einfluss der eiszeitlichen Menschen Steppenlandschaften und lichte, park-ähnliche Wälder geschaffen“, so Dr. Mirjam Pfeiffer, eine Ko-Autorin der Studie vom Senckenberg Biodiversiät und Klima Forschungszentrum.

Zu diesem Ergebnis kamen die Wissenschaftler, indem sie archäologische Funde zu menschlichen Aktivitäten und dem Einsatz von Feuer sowie eiszeitliche Sedimente und Aschereste, die im Boden überdauert haben, auswerteten und mit Vegetationssimulationen verglichen. Eine Erklärung, warum die Jäger mit dem Feuer spielten, hat das Team auch: Einerseits hätten lichtere Landschaften die Jagd erleichtert und es wäre einfacher gewesen, Nahrung in vergleichsweise offenen Landschaften zu sammeln. Andererseits hätten sich die Jäger durch lichtere Vegetation besser fortbewegen können. 
„Einer der entscheidenden Faktoren menschlicher Evolution ist seine Fähigkeit, die Umgebung zu verändern, um darin besser zu überleben. Eiszeitjäger haben vermutlich genau das getan. Sie waren quer durch Europa - von Spanien bis nach Russland - in der Lage, Landschaft und Vegetation entscheidend zu ihren Gunsten zu verändern“, erklärt Pfeiffer und fährt fort „Der erste große Eingriff des Menschen in seine natürliche Umgebung hätte damit mehr als 20.000 Jahre vor der Industriellen Revolution stattgefunden.“ 

Vegetation wurde 20.000 vor Christus massiv beeinflusst
Der Einfluss der Eiszeitjäger erklärt, warum es bisher bei der Rekonstruktion der letzten Kaltzeit, die ihren Höhepunkt zwischen 24.500 bis 18.000 v. Chr erreichte, Widersprüche gibt. Analysiert man Sedimente aus Seen und Mooren, zeigt sich, dass Europa während der Eiszeit eher wenig bewaldet war. Vegetationssimulationen auf Basis acht möglicher Klimaszenarien hingegen ergaben, dass zu dieser Zeit Europa unter natürlichen Bedingungen dichter bewaldet gewesen sein müsste. Wenn aber vom Menschen verursachtes Feuer in den Vegetationssimulationen berücksichtigt wird, ergibt sich plötzlich ein Vegetationsmuster, das deutlich besser mit den Vegetationsrekonstruktionen aus Umweltdaten übereinstimmt. „Wir gehen daher davon aus, dass der eiszeitliche Mensch verantwortlich für diesen Unterschied gewesen sein könnte", resümiert Pfeiffer.

Text: Sabine Wendler Senckenberg Biodiversität und Klima Forschungszentrum Pressestelle Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen, Bild unten: pixabay

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Ein neu entwickeltes Verfahren revolutioniert Instrumentenbau.

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Neu entwickeltes Verfahren revolutioniert Instrumentenbau

Eberswalde - Mit einem neuen thermischen Behandlungsverfahren ist es dem Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Alexander Pfriem, Vizepräsident für Forschung und Technologietransfer der Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde (HNEE) gelungen, einheimische Holzarten für Zupf- und Streichinstrumente ohne Einschränkungen nutzbar zu machen. Am 5. bis 8. April 2017 werden in Kooperation mit der Reinhardt Best Acoustics GmbH die komplett aus einheimischen Tonhölzern gefertigten Gitarren und das neue Verfahren auf der Frankfurter Musikmesse vorgestellt.

Die Verwendung von Tropenholz ist angesichts des fortschreitenden weltweiten Waldverlustes, illegaler Rodungen und schlechter Praktiken in der Waldwirtschaft ökologisch sehr bedenklich. Ursprünglich wurde für den Gitarrenbau häufig die Holzart Rio-Palisander (Dalbergia nigra) verwendet, welche seit 1992 allerdings der höchsten Schutzstufe des international geltenden Washingtoner Artenschutzübereinkommens unterliegt. Seit dem 2. Januar 2017 stehen nun auch alle anderen Palisanderarten unter Artenschutz, was den Handel prinzipiell nicht ausschließt, aber erhebliche bürokratische Hürden mit sich zieht. 

Für viele Einsatzbereiche wie Gartenmöbel, Zäune oder Außenfassade wird bereits thermisch behandeltes heimisches Holz verwendet. Auch beim Kauf von Gitarren spielen bei vielen Menschen zunehmend ökologische Gesichtspunkte eine entscheidende Rolle. Ein Grund, warum der Druck auf die Produzent*innen wächst. Für hoch anspruchsvolle Holzerzeugnisse wie Musikinstrumente ist es allerdings ungleich schwieriger entsprechende Holzeigenschaften zu ersetzen. Sowohl die Akustik, als auch optische Merkmale müssen Händler*innen und Gitarrenliebhaber*innen überzeugen. Seit vielen Jahren versuchen Gitarrenhersteller Instrumente aus thermisch behandeltem Holz zu bauen. Bisher gelang lediglich der partielle Holzersatz z. B. der Gitarrendecke. Dem Forschungsteam der HNEE ist es durch die Anwendung einer weiterentwickelten thermischen Behandlung gelungen, die Klangeigenschaften lokaler Holzarten durch die Verbesserung der Schallgeschwindigkeit im Holz sowie der Schallabstrahlung zu optimieren. 

KorpusBisher wurde der Korpus, z.B. der gekrümmte Rahmen oder die Decke, aus brasilianischem Rio Palisander gefertigt. Foto: David ZerbstBei allen Gitarrenelementen – Korpus, Hals und Kopf – konnte komplett auf Tropenholz verzichtet werden und sie bestehen nun aus thermisch behandelten und optimierten heimischen Tonhölzern, die sowohl den klanglichen als auch ästhetischen Eigenschaften gerecht werden. Gunther Reinhardt von der Reinhardt Best Acoustics GmbH verrät: „Das Klangergebnis der Thermoholz-Gitarren hält dem Vergleich mit den aus Tropenholz gefertigten Gitarren mehr als Stand.“ Durch die starke über einen längeren Zeitraum stattfindende Erhitzung erhält das Holz, je nach Intensität der Behandlung, tropenholzähnliche Materialeigenschaften, wie auch die von Musiker*innen besonders geschätzte typisch dunkle Farbgebung.

„Die Zukunftschancen für thermisch behandeltes Holz als Substitut zu Tropenholz sind vielversprechend“, so Prof. Dr. Pfriem, der noch in diesem Jahr ein Innovationsnetzwerk Tropenholzersatz mit dem Namen „SubMat4Music“ gründen möchte. Dabei erarbeiten Akteur*innen aus allen Bereichen gemeinsam konkrete Fragestellungen, die dann von der Wissenschaft aufgegriffen werden sollen.
Quelle: Text: Johanna Köhle Hochschulkommunikation, Hochschule für nachhaltige Entwicklung Eberswalde/Bilder: Pixabay

Hintergrund:
Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Detaillierte Informationen zu diesem neuen Verfahren wird Prof. Dr. Pfriem am Mittwoch, den 5. April 2017 um 9:30 Uhr auf dem Messestand der Reinhardt Best Acoustics GmbH auf der Frankfurter Musikmesse (Stand E92 in Halle 8) in einer offiziellen Pressekonferenz geben. Eine Podiumsdiskussion am gleichen Tag wird zwischen 13:00 und 14:00 Uhr in Halle 8, Stand D50 stattfinden.

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Pflanzen und Roboter sollen im Projekt „flora robotica“ künftig untereinander und mit dem Menschen kommunizieren können.

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Deutschland, Dänemark, Österreich und Polen an 3,6 Mio. Euro-Projekt beteiligt
Die Kommunikation zwischen Menschen, Pflanzen und Maschinen ermöglichen und dabei Städte neugestalten: Seit 2015 forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus vier Nationen unter der Leitung der Universität Paderborn im Projekt „flora robotica“ an intelligenten Pflanzen. An dem von der EU geförderten Forschungsprojekt sind Informatiker, Robotiker, Zoologen, Zellbiologen, Mechatroniker und Architekten aus Deutschland, Dänemark, Österreich und Polen beteiligt. Insgesamt wird das Projekt mit rund 3,6 Mio. Euro gefördert.

„Diese „intelligenten“ Pflanzen sollen künftig – von Roboterschwärmen angeleitet – unsere Städte architektonisch beleben: Von der kontrolliert begrünten Wand bis hin zu ganzen Häusern aus lebender Biomasse“, erläutert Prof. Dr. Heiko Hamann vom Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn das Projekt. Um dies zu erreichen, entwickelt das internationale Forscherteam sogenannte „biohybride Gesellschaften“ aus Roboterschwärmen und Pflanzen. Neuartige im Projekt entwickelte Technologien machen es erstmals möglich, dass Menschen, Pflanzen und Roboter miteinander auf hohem Niveau kommunizieren und gemeinsame Ziele erreichen können.

Eine der großen Herausforderungen im Forschungsprojekt „flora robotica” ist der Aufbau eines Kommunikationsnetzwerkes zwischen Pflanzen, Menschen und Robotern. Dazu haben die Wissenschaftler völlig neuartige Kommunikationskanäle entwickelt, die sowohl das kurzfristige wie auch das langfristige Wachstum der Pflanzen beeinflussen können: „Die Roboter können den Pflanzen mitteilen, in welche Richtung sie wachsen sollen und die Pflanzen können den Robotern bekannt geben, was sie dafür brauchen, z. B. Wasser oder Licht“, so Hamann.

Pflanzen und Roboter sollen im Projekt „flora robotica“ künftig untereinander und mit dem Menschen kommunizieren können. Foto:Universität PaderbornPflanzen und Roboter sollen im Projekt „flora robotica“ künftig untereinander und mit dem Menschen kommunizieren können. Foto:Universität PaderbornRoboter als Dolmetscher zwischen Mensch- und Pflanzenwelt
Die Roboter kommunizieren aber nicht nur mit den Pflanzen, sie werden auch zu Vermittlern und Dolmetschern zwischen der Menschen- und der Pflanzenwelt. „Wir Menschen können somit erstmals strukturiert, gezielt und geplant an einer völlig neuartigen Pflanzenarchitektur arbeiten“, verdeutlicht Prof. Dr. Heiko Hamann. Forscher erhalten erstmals durch die Roboter in „Echtzeit” Informationen über den Zustand der Pflanzen, wie z. B. Nährstoffmangel. Sie können so darauf reagieren, bevor negative Auswirkungen auf die Pflanze entstehen können. Umgekehrt können auch die Forscher über die Roboter Pflanzen Informationen zukommen lassen. Etwa ob die Pflanze gerade die jeweilige gewünschte architektonische Form bildet oder ihr Wachstum anders ausrichten muss.

Intelligente Pflanzen bauen nachhaltige lebenswerte Umwelten
Bereits jetzt werden Roboter immer wieder eingesetzt, um Pflanzenwachstum zu beeinflussen, etwa in automatisierten Gewächshäusern. In flora robotica gehen die Wissenschaftler einen entscheidenden Schritt weiter: Ihr Ziel ist es, das Pflanzenwachstum durchgehend zu beeinflussen und auf diese Weise innovative neue architektonische Gebilde entstehen zu lassen. Die Roboter werden zu einer Art „Baumeister“ einer völlig neuartigen Pflanzenarchitektur. Die intelligenten Pflanzen sollen künftig dabei helfen, nachhaltige Städte und Lebenswelten aufzubauen, von “lebendigen Mauern” über Möbel bis hin zu ganzen Häusern. Im Projekt flora robotica nimmt aber auch architektonische Ästhetik einen wichtigen Platz ein und es entstehen neue, sich permanent ändernde, ressourcenschonende, architektonische Systeme.

Technologie, die „das Sprechen“ mit Pflanzen möglich macht
Technisch ermöglicht die Kombination einer Vielzahl von Sensoren die Kommunikation zwischen Robotern und Pflanzen. Diese Sensoren funktionieren auf der Basis von verfügbarer Technologie, wie einfachen Abstandssensoren und anderen optischen Sensoren. Zusätzlich hat das Forscherteam aber auch neue Technologien entwickelt: wie Biomassesensoren, die auf der Verzerrung von elektromagnetischen Feldern basieren, oder auch Transpirationssensoren und Sensoren, die den Saftfluss (Xylemsaftfluss) messen.
Manche der symbiotischen Roboter sind stationär, andere wiederum bewegen sich langsam fort, um mit dem Pflanzenwachstum Schritt zu halten. Schnell hingegen funktionieren die Kontrollmechanismen der Roboter, welche die Pflanzen durch Hochintensitäts-LEDs und Vibrationsmotoren beeinflussen. Weiterhin benutzen die Forscher blaues Licht, um die Pflanzen über sogenannten „Phototropismus” zu steuern, indem ihre Wachstumsspitze von der Lichtquelle angelockt wird. Eingesetzt wird aber auch Licht im sogenannten „far-red”-Bereich (zwischen dem Spektrum von sichtbarem und infrarotem Licht), um auf Pflanzen gezielt abstoßend zu wirken. Gleichzeitig werden Vibrationsmotoren eingesetzt, um das Wachstum auf bestimmte Teilbereiche zu beschränken.

In den bisherigen Experimenten wurde das Zusammenspiel zwischen Robotern und einer Vielzahl von verschiedenen Pflanzenarten, wie zum Beispiel Bambus, Bohnen, Bananen oder Tomaten bereits erfolgreich getestet.

Text: Vanessa Dreibrodt Stabsstelle Presse und Kommunikation Universität Paderborn, unbennante Bilder:pixaby,   big merci

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Plastik-Stühle  im Lernzimmer

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Herkömmliche Kunststoffe werden auf Erdölbasis hergestellt und stellen für die Umwelt ein Problem dar, da sie nicht abbaubar sind. Die Arbeitsgruppe um den Konstanzer Chemiker Prof. Dr. Helmut Cölfen hat nun einen völlig neuartigen „Mineral-Kunststoff“ hergestellt, der sich strukturell an Biomaterialien anlehnt. Der Kunststoff ist ein so genanntes Hydrogel, das bei Raumtemperatur aus Kalk (amorphem Calciumcarbonat) und Polyacrylsäure in Wasser hergestellt werden kann. Er kann direkt recycelt oder auch umgeformt werden und ist im gelartigen Zustand „selbstheilend“. In getrocknetem Zustand hat das Hydrogel die Konsistenz einer Krabbenschale und ist biegsam. Das nicht-toxische plastische Material könnte in Zukunft klassische Kunststoffe teilweise ersetzen und dadurch zur Lösung von Umweltproblemen beitragen. Veröffentlicht wurde die Arbeit soeben in der Zeitschrift Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.201606536).

Völlig neue Kunststoff-Klasse ist von der Natur inspiriert und leicht abbaubar
Konventionelle Kunststoffe sind in der Regel biologisch nicht abbaubar, und auch der Prozess des Recyclings erfordert wieder Energie. Die Herstellung des Mineral-Kunststoffes durch die Konstanzer Arbeitsgruppe entspricht dem Leitbild der „Grünen Chemie“ und wurde inspiriert durch Mineralisationsprozesse in der Natur, die auf Basis von Calciumcarbonat ablaufen. Das Hydrogel, das Kunststoffe ersetzen könnte, besteht aus Nano-Partikeln von Calciumcarbonat, die durch Polyacrylsäure vernetzt werden. Das ohne Energiezufuhr bei Raumtemperatur entstehende Hydrogel ist formbar und selbstheilend, da sich etwa Risse durch die Zugabe eines Tropfen Wassers von selbst verschließen. Auch das Zusammenfügen zweier (Bau-)Teile ist auf dieselbe Weise möglich. Die Eigenschaft, bei Erhitzen die Farbe zu ändern, ermöglicht zudem einen Einsatz des Gels als Temperatursensor. Dadurch, dass das Material durch Wasserzugabe leicht und ohne Energieaufwand umgeformt werden kann, ist das Recycling problemlos. Durch Zugabe einer schwachen Säure, etwa von Essig- oder Zitronensäure, löst es sich sprudelnd durch Freisetzung von Kohlendioxid auf. Die zurückbleibende Polyacrylsäure ist ungiftig.

Synthese eines „Mineral-Kunststoffes“ (hier: eines supramolekularen ACC/PAA-Hydrogels) durch Mischen von Calciumchlorid, Natriumcarbonat und Polyacrylsäure in Wasser.Synthese eines „Mineral-Kunststoffes“ (hier: eines supramolekularen ACC/PAA-Hydrogels) durch Mischen von Calciumchlorid, Natriumcarbonat und Polyacrylsäure in Wasser.Das "grüne Plastik" ist kostengünstig und lässt sich in großen Mengen problemlos herstellen
„Das Verfahren der Herstellung des Hydrogels ist unmittelbar für die Industrie adaptierbar, zumal die Ausgangsmaterialien kostengünstig großtechnisch hergestellt werden“, erläutert Helmut Cölfen. Nach Trocknung erhält man ein Material wie Plastik, das nicht leicht zerbricht und biegsam ist. Dadurch ist es als Ersatz für herkömmliches Plastikmaterial für Anwendungen in Trockenheit geeignet, etwa für Elektonikbauteile. Als Weiterentwicklung wäre an Überzugsmaterialien zu denken, die dann aber das Recycling möglichst nicht beeinflussen sollten. Die besondere Quellfähigkeit und gleichzeitige Härte nach Trocknung macht das Material für Bauanwendungen interessant, um Risse aufzufüllen.
Im Vergleich zu Biomineralien ist das Hydrogel formbar, während etwa Knochen oder Zähne hart sind, sobald das Biomineral fertig ausgebildet wurde.

Nicht nur im Hinblick auf diese in der Natur ablaufenden Prozesse ist es für die Arbeitsgruppe um Helmut Cölfen an der Universität Konstanz daher interessant, wie die Eigenschaften solcher Gele systematisch verändert und damit noch weitere „Mineral-Kunststoffe“ für spezielle Anwendungen hergestellt werden können. Künftige Forschungsvorhaben werden die neue Substanzklasse auch daraufhin unter die Lupe nehmen, welche medizinischen Anwendungen denkbar sind. Unter anderem sollen weitere Mineralien als Ausgangsstoff getestet werden, und es ist daran gedacht, Polyasparaginsäure als Vernetzungsmittel einzusetzen. Diese ist vollständig biologisch abbaubar.
Originalpublikation: „Hydrogele aus amorphem Calciumcarbonat und Polyacrylsäure: Bioinspirierte Materialien für ‚Mineral-Kunststoffe‘“. Shengtong Sun, Li-Bo Mao, Zhouyue Lei, Shu-Hong Yu und Helmut Cölfen. Angewandte Chemie (DOI: 10.1002/anie.201606536).

Text: Julia Wandt Stabsstelle Kommunikation und Marketing Universität Konstanz, Einleitungs- und Beitragsbild pixabay    

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