Bei Regen Schutz, bei Hitze Schatten

Bild einer Mittagsblume
Die Samenkapseln der Mittagsblume „entfalten“ sich bei Regen dank ihrer besonderen, wabenartigen Struktur
© Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Die Mittagsblume Delosperma nakurense ist ein wahres Wunderwerk der Fortpflanzung. Im südlichen Afrika beheimatet, öffnet sie die fünf Vorratskammern ihrer Samenkapsel nur, wenn es regnet, die Keimungsbedingungen also gut sind.

Die Energie für diesen lebensspendenden Mechanismus bezieht die Kapsel aber nicht etwa aus Stoffwechselprozessen innerhalb der Zellen, sondern allein durch die äußerliche Benetzung des bereits abgestorbenen Pflanzenmaterials. Wie in einem komplexen Origami entfalten sich bei Regen die dreieckigen Deckel in einem als „Hydro-Aktuation“ bezeichneten Prozess autonom und richtungsgesteuert, weil sich die Kapselarchitektur durch die eindringende Feuchtigkeit auf gleich mehreren Ebenen verändert.

„Wir haben herausgefunden, dass die Hydro-Aktuation vor allem deshalb funktioniert, weil die Zellen mit einer stark quellbaren Substanz gefüllt sind“, erklärt Ingo Burgert vom Institut für Baustoffe der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich. Zwar bestehen die Zellwände neben Zellulose aus wasserabweisendem Lignin, im Inneren der Zellen fehlen diese Biopolymere aber, sodass die Zelluloseschichten viel Wasser zur Quellung aufnehmen können. „Aber das allein reicht nicht aus“, so Burgert, „für den komplexen Prozess bedarf es auch der wabenförmigen Struktur des Pflanzengewebes.“ Nur durch diese Struktur auf der nächst höheren Ebene sei gewährleistet, dass sich der Quellungsprozess in eine bestimmte Richtung vollziehe, sprich: dass sich der Deckel vom Gelenk aus bei Regen selbstständig nach oben klappt.

Burgert ist einer von drei wissenschaftlichen Leitern des Projekts „Bioinspirierte Bauteile für autonome Krafterzeugung und Bewegungen“, das als Teil des DFG-Schwerpunktprogramms „Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials“ nach achtjähriger Förderung 2016 ausgelaufen ist. An den Modellen der Mittagsblume oder der Papaya haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler grundlegend analysiert, durch welche hierarchischen Muster in der Natur Spannungen und Bewegungen erzeugt werden können – und zwar einzig und allein durch den zellbasierten Aufbau der Struktur. Jetzt sollen die Erkenntnisse zur Anwendung kommen.

Interessant ist dabei, dass Burgert und seine Kolleginnen und Kollegen aus Botanik und Chemie nicht nur innovative Funktionswerkstoffe aus den Laboren der Materialwissenschaft im Fokus haben, sondern mit Holz auch eines der ältesten Baumaterialien der Menschheit überhaupt. Der Öffnungsmechanismus der Samenkapsel dient als Inspiration für neue Anwendungsmöglichkeiten des seit der Altsteinzeit genutzten Naturbaustoffs. „Bioinspiriert und biobasiert zugleich“, nennt Burgert das Konzept. „Das geht, weil Zellulose und Lignin auch Hauptbestandteile von Holzzellen sind. Und weil Holz ebenfalls anisotrop, also richtungsabhängig, auf Wasser reagiert.“

Dabei wollen die Forscherinnen und Forscher vor allem jene normalerweise unliebsame Quelleigenschaft nutzbar machen, die Holzwissenschaftler mit viel Aufwand eigentlich verhindern wollen. „Wenn es uns gelingt, die Mechanismen in der Samenkapsel etwa durch die Kombination von Holzschichten mit unterschiedlicher Ausrichtung in größere Dimensionen zu übertragen, müsste es möglich sein, die gelenkte Bewegung in praxisrelevanten Anwendungen zu erzeugen“, erläutert Burgert. Dann könnten Lamellen an Hausfassaden in Zukunft ganz ohne elektrische Steuerung bei Regen Schutz oder bei Hitze Schatten spenden. Und Ventilationsklappen könnten dafür sorgen, dass die Feuchtigkeit im Bad nach dem Duschen selbstständig abzieht, bevor sich ihre Waben wieder schließen.

Den Ruf vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung an die ETH Zürich erhielt Burgert während seiner Forschung im DFG-Schwerpunktprogramm. Jetzt arbeitet er dort im Verbund mit renommierten Kolleginnen und Kollegen der ETH und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa). Gemeinsam wollen sie den ebenso umweltverträglichen wie eleganten Baustoff Holz für Außenwände, Innenverkleidungen, Möbel oder Türklinken feuerfest, keimabweisend, UV-resistent, ja sogar magnetisierbar – und damit fit für die Zukunft – machen.

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