Die Seide der bescheidenen Spinne hat einige ziemlich beeindruckende Eigenschaften. Es ist eines der robustesten Materialien in der Natur, stärker als Stahl und zäher als Kevlar. Es kann mehrmals gedehnt werden, bevor es zerbricht. Aus diesen Gründen ist das Replizieren von Spinnenseide im Labor unter Materialwissenschaftlern seit Jahrzehnten eine gewisse Besessenheit.
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Forscher der Universität Cambridge haben nun ein neues Material entwickelt, das die Stärke, Dehnbarkeit und Energieaufnahmefähigkeit von Spinnenseide nachahmt. Dieses Material bietet die Möglichkeit, Produkte von Fahrradhelmen über Fallschirme bis hin zu kugelsicheren Jacken und Flugzeugflügeln zu verbessern. Möglicherweise sein eindrucksvollstes Eigentum? Es ist 98 Prozent Wasser.
„Spinnen sind interessante Modelle, weil sie in der Lage sind, diese hervorragenden Seidenfasern bei Raumtemperatur mit Wasser als Lösungsmittel herzustellen“, sagt Darshil Shah, Ingenieur am Cambridge Center for Natural Material Innovation. "Diese Prozessspinnen haben sich über Hunderte von Millionen von Jahren entwickelt, aber wir konnten sie bisher nicht kopieren."
Die im Labor hergestellten Fasern bestehen aus einem Material namens Hydrogel, das zu 98 Prozent aus Wasser und zu 2 Prozent aus Siliziumdioxid und Zellulose besteht. Die beiden letzteren werden von Cucurbiturilen zusammengehalten, Molekülen, die als „Handschellen“ dienen. Die Siliziumdioxid- und Zellulosefasern können gezogen werden vom Hydrogel. Nach etwa 30 Sekunden verdunstet das Wasser und hinterlässt nur den starken, dehnbaren Faden.
Die Fasern sind extrem stark - wenn auch nicht ganz so stark wie die stärksten Spinnenseiden - und können ohne chemische Lösungsmittel bei Raumtemperatur hergestellt werden. Wenn sie im Maßstab hergestellt werden können, haben sie einen Vorteil gegenüber anderen synthetischen Fasern wie Nylon, die zum Spinnen extrem hohe Temperaturen erfordern, was die Textilproduktion zu einer der schmutzigsten Industrien der Welt macht. Die künstliche Spinnenseide ist auch vollständig biologisch abbaubar. Und da es aus gängigen, leicht zugänglichen Materialien besteht - hauptsächlich Wasser, Kieselsäure und Zellulose - hat es das Potenzial, erschwinglich zu sein.
Da das Material so viel Energie aufnehmen kann, kann es möglicherweise als Schutzgewebe verwendet werden.
"Spinnen brauchen diese Aufnahmefähigkeit, denn wenn ein Vogel oder eine Fliege auf ihr Netz trifft, muss sie das aufnehmen können, sonst wird es brechen", sagt Shah. "Also Dinge wie splitterresistente oder andere militärische Schutzkleidung, das wäre eine aufregende Anwendung."
Andere mögliche Anwendungen sind Segeltuch, Fallschirmgewebe, Heißluftballonmaterial und Fahrrad- oder Skateboardhelme. Das Material ist biokompatibel, was bedeutet, dass es für Dinge wie Stiche im menschlichen Körper verwendet werden kann.
Die Fasern könnten auch auf eine Reihe interessanter Arten modifiziert werden, sagt Shah. Das Ersetzen der Cellulose durch verschiedene Polymere könnte die Seide in ein völlig anderes Material verwandeln. Die Grundmethode könnte wiederholt werden, um Versionen vieler Stoffe herzustellen, die nur wenig Wärme und keine chemischen Lösungsmittel benötigen.
"Es ist eine generische Methode, um alle Fasern herzustellen, um jede Form von [künstlichen] Fasern grün zu machen", sagt Shah.
Shah und sein Team sind bei weitem nicht die einzigen Wissenschaftler, die an der Herstellung künstlicher Spinnenseide arbeiten. Im Gegensatz zu Seidenraupen, die für ihre Seide gezüchtet werden können, sind Spinnen Kannibalen, die die für die Zucht erforderlichen engen Grenzen nicht tolerieren. Nur wenn sie sich an das Labor wenden, können erhebliche Mengen des Materials gewonnen werden. Alle paar Jahre werden Schlagzeilen über neue Fortschritte in diesem Prozess gemacht. Ein deutsches Team hat E-coli-Bakterien modifiziert, um Spinnenseidenmoleküle herzustellen. Wissenschaftler der Utah State University züchteten gentechnisch veränderte „Spinnenziegen“, um Seidenproteine in ihrer Milch zu produzieren. Die US-Armee testet „Drachenseide“, die mit modifizierten Seidenraupen hergestellt wurde, für die Verwendung in kugelsicheren Westen. Anfang des Jahres veröffentlichten Forscher des Karolinska-Instituts in Schweden einen Artikel über eine neue Methode, um mithilfe von Bakterien Spinnenseidenproteine auf eine potenziell nachhaltige und skalierbare Weise herzustellen. Und in diesem Frühjahr debütierte das kalifornische Startup Bolt Threads auf dem SXSW-Festival mit biotechnologisch hergestellten Spinnenseidenkrawatten. Ihr Produkt wird durch einen Hefefermentationsprozess hergestellt, bei dem Seidenproteine entstehen, die dann durch einen Extrusionsprozess zu Fasern verarbeitet werden. Es ist vielversprechend genug, eine Partnerschaft mit dem Outdoor-Hersteller Patagonia eingegangen zu sein.
In einer Geschichte von Wired aus dem Jahr 2015 heißt es jedoch: „Bisher ist jede Gruppe, die versucht hat, genug von dem Zeug zu produzieren, um es auf den Massenmarkt zu bringen, von Forschern bis zu riesigen Unternehmen, so gut wie gescheitert.“
Dies ist die Herausforderung, vor der Shah und sein Team gerade stehen.
„Derzeit stellen wir aus diesen Materialien einige zehn Milligramm her und ziehen daraus Fasern“, sagt er. "Aber wir wollen versuchen, dies in einem viel größeren Maßstab zu tun."
Dazu arbeitet das Team an einem Robotergerät, mit dem Fasern schneller und in größerem Maßstab als bisher gezogen und gesponnen werden können. Sie haben Erfolg gehabt, sagt Shah, und erforschen den Prozess weiter.
"Wir befinden uns noch im Anfangsstadium der Forschung", sagt er.
Die Ergebnisse des Teams wurden kürzlich in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht .
