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News: Nach dem Vorbild der Natur

In der Nanotechnologie spielen winzige Gehäuse eine wichtige Rolle und sind doch besonders kniffelig herzustellen. Dabei zeigt die Natur, wie es geht. Mithilfe einzelliger Algen könnten derlei Behältnisse in großer Stückzahl entstehen - ganz wie von selbst.
Nach dem Vorbild der Natur
Wieder einmal zeigt sich, wie sinnvoll es ist, der Natur über die Schulter zu schauen. Diesmal sind es die winzigen einzelligen Kieselalgen oder so genannte Diatomeen, die es den Forschern angetan haben - Nanoforschern um genau zu sein. Schon lange arbeitete Kenneth Sandhage von der Ohio State University nämlich an dem Problem, Behältnisse im Submillimeterbereich herzustellen, in denen einmal chemische Sensoren Platz haben könnten oder fein dosierbare Medikamente.

Bis Sandhage bei Monica Schönwälder vom Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung die mikroskopisch kleinen Gehäuse jener Diatomeen sah: perfekt geformte Strukturen aus Siliziumdioxid, die - je nach Art - kleiner als ein tausendstel Millimeter sein können. Sie sind Hauptbestandteil des Phyto-Planktons der Meere und somit bedeutsamer Teil der Nahrungskette. Ihre filigranen Symmetrien hatte bereits der Zoologe Ernst Haeckel (1834-1919) erkannt und in seinem legendären Werk "Kunstformen der Natur" zeichnerisch zu Papier gebracht.

Einen Nachteil haben diese winzigen Geschöpfe allerdings: Sie sind aus Siliziumdioxid - dem gleichen Stoff, aus dem auch Quarze sind. Gefragt ist aber eine Vielzahl von Stoffen, gerade bei pharmazeutischen Anwendungen müssen die winzigen Kapseln gut resorbierbar sein, während in der Mikroelektronik wieder ganz andere Anforderungen wichtig sind.

Kurzum, die Forscher mussten einen Weg finden, das Siliziumdioxid durch andere Materialien zu ersetzen. Und das gelang Sandhage und seinen Mitarbeitern, indem sie die Gehäuse der Kieselalge Aulacoseira bis auf 900 Grad Celsius erhitzen. Bei dieser von den Forschern entwickelten Methode der Bioclastic and Shape-Preserving Inorganic Conversion (BaSIC) erfolgte die Erwärmung in einer mit Magnesium angereicherten Atmosphäre, welches in oxidischer Form das Siliziumdioxid der Diatomeen ersetzte. Die feinen Strukturen blieben indes erhalten.

Solche Magnesiumoxidschalen könnten sich beispielsweise bei der Abwasserreinigung bewähren oder auch in Bremsbelägen, wo sie die Reibung erhöhen. Ein erster Schritt in Richtung maßgeschneiderter Mikrobehältnisse ist jedenfalls gelungen. Als nächstes wollen die Forscher es anstelle des Magnesiumoxids mit Calciumoxid versuchen. Diese Verbindung wird von dem menschlichen Körper leicht resorbiert und eignete sich somit für neue pharmazeutische Produkte.

Am eindrucksvollsten ist aber wohl, wie leicht sich die perfekt symmetrischen Gebilde herstellen lassen. Da macht der Natur niemand etwas vor. Nach zehn Tagen können aus einer einzigen Zelle eine Milliarde Nachkommen entstehen. Billiger und umweltfreundlicher geht es nicht mehr. Wer weiß, meint Sandhage, vielleicht könne man ja schon bald sogar die DNA solcher Kieselalgen manipulieren. Dann fügten sich die Diatomeen ganz von selbst in die gewünschte Form.

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