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Materialforschung: Glas mit Selbstheilungskräften

Ein aus Aminosäuren bestehendes Glas ist nicht nur robust und transparent, sondern auch in der Lage, sich selbst zu heilen. Bislang war kein vergleichbares Material bekannt.
Eine Glasscheibe mit Rissen vor schwarzem Hintergrund
Anders als herkömmliches Glas kann sich das neu entdeckte, aus Aminosäuren bestehende Material selbst heilen, wenn man es bei Raumtemperatur befeuchtet.

Man nehme Sand, Kalkstein und Natriumkarbonat und erhalte? Richtig, Glas. Dieses transparente, langlebige, vielseitige und umweltverträgliche Material hat die Gesellschaft im Lauf der Jahrhunderte geprägt wie nur wenige andere Stoffe. Es spielt heute eine wichtige Rolle in unzähligen Industriezweigen, im Alltag, beim Hausbau oder auch in der Forschung. Im physikalischen Sinn bezeichnet der Begriff »Glas« jedoch eher einen speziellen Zustand der Materie als eine konkrete Zusammensetzung und bezieht sich auf Substanzen, die bis zur Festigkeit abgekühlt werden können, ohne zu kristallisieren. Nun hat ein Forschungsteam um Ehud Gazit von der Universität Tel-Aviv in Israel entdeckt, dass sich aus einfachen organischen Molekülen in Kombination mit Wasser ein Glas mit besonderen Klebe- und Selbstheilungseigenschaften herstellen lässt..

Die Besonderheit des Materials besteht vor allem darin, dass es etliche widersprüchlich scheinende Eigenschaften in sich vereint: Es ist beispielsweise mechanisch robust, kann sich aber bei Raumtemperatur selbst heilen. Außerdem ist es ein extrem starker Klebstoff und gleichzeitig in einem breiten Spektralbereich vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarotlicht transparent. Bislang ist noch kein derart vielseitiges, glasartiges Material beschrieben worden.

Die Forschungsgruppe hat in zahlreichen Experimenten demonstriert, wie vielseitig der von ihnen entdeckte bioorganische Stoff ist, der aus der natürlich vorkommenden Aminosäure Tyrosin sowie Wasser besteht. Die Fachleute formten daraus beispielsweise kleine Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten, klebten Objektträger aus konventionellem Glas damit zusammen und testeten die mechanische Widerstandsfähigkeit. Dabei zeigte sich, dass die Anzahl der über Peptidbindungen verknüpften Tyrosinmoleküle über die Glasähnlichkeit entscheidet: Nur das Tripeptid bildet ein Glas, während die Di- und Tetra-Tyrosin-Peptide sowie Tyrosin selbst Kristalle formen.

© Nature News
Ein Glas mit Selbstheilungskräften
Forscher haben entdeckt, dass ein Peptid, wenn es mit Wasser gemischt wird, sich selbst zu einem starren Glas zusammensetzen kann.

Ein spezieller Effekt tritt ein, wenn man dem Tripeptid das Wasser entzieht. Dann nämlich wird es spröde und bricht. Setzt man das Material jedoch erneut einer feuchten Umgebung aus, schließen sich die Risse wieder, das Glas »heilt« sich selbst. Diese dynamischen Eigenschaften des Peptidglases sind für verschiedene Anwendungen interessant, sie lassen unter anderem vermuten, dass die Substanz leicht recycelt werden kann. Zudem lässt sich der Stoff zur Herstellung optischer Linsen oder als Kleber für mehrschichtige Linsenoptiken einsetzen. »Indem sie die Selbstorganisation von Minimalpeptiden beherrschen und die Wechselwirkungen dieser Moleküle mit Wasser verstehen, sind Gazit und sein Team dabei, dieses Forschungsgebiet zu verändern«, kommentiert Silvia Marchesan von der Universität Triest, die nicht an der Studie beteiligt war, die Arbeit in einem »Nature«-Begleitartikel. Künftige Studien müssten das Material jedoch noch systematischer analysieren, um festzustellen, wie sich einzelne Faktoren auf die molekulare Struktur und die daraus resultierenden makroskopischen Eigenschaften auswirken.

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  • Quellen

Finkelstein-Zuta, G. et al.:A self-healing multispectral transparent adhesive peptide glass. Nature 630, 2024

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