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Materialforschung

Spinnenseide sammelt effizient Wasser

Spinnennetz mit Tautropfen
Bislang ist Spinnenseide vor allem für ihre herausragende Belastbarkeit bekannt. Einen deutlich weniger beachteten Aspekt haben jetzt Forscher um Yongmei Zheng von der Pekinger Universität für Luft- und Raumfahrt in Augenschein genommen: Die Fasern ziehen auf effiziente Weise Wasser aus der Luftfeuchtigkeit – ein Phänomen, das sich in der Natur besonders in den frühen Morgenstunden beobachten lässt, wenn dicke Tautropfen an den Fäden eines Spinnennetzes hängen.

Wie der Seide der Trick gelingt, offenbarten Lichtmikroskop-Aufnahmen: Mehr noch als die chemische Zusammensetzung trägt die Struktur des Materials zum Wasser anziehenden Effekt bei. Aufbauend auf den neu gewonnenen Erkenntnissen konnten die Wissenschaftler sogar ein Spinnenseidenimitat mit denselben Eigenschaften entwickeln.

Spinnennetz im Nebel
Spinnennetz im Nebel | Spinnenseide kann hervorragend Luftfeuchtigkeit sammeln. Wie dem Material der Trick gelingt, fanden jetzt chinesische Forscher heraus: Es liegt an der Mikrostruktur der Fäden, an denen sich Abschnitte zur Kondensation mit Wasser sammelnden Abschnitten abwechseln.
Die zum Wassersammeln günstige Form nimmt die Seide, die aus zahllosen nur wenige Nanometer dicken Fibrillen-Fasern besteht, erst dann an, wenn mikroskopisch kleine Wassertropfen an der Seide zu kondensieren beginnen. Im trockenen Zustand reihen sich die Fibrillen in locker gepackten Knäueln wie Perlen an einer Kette nebeneinander; jedes Knäuel ist dabei über Glieder aus gerichteten Fibrillen verbunden. Im feuchten Zustand hingegen schrumpfen die Knäuel zu kompakteren, spindelförmigen Klumpen zusammen, an denen die Tropfen zu wachsen beginnen.

Das Bemerkenswerte an diesem Prozess ist den Wissenschaftlern zufolge, dass er zu einer unterschiedlichen Benetzbarkeit der Fadenabschnitte führt: Geometrie und Oberflächeneigenschaften der kompakten Spindeln lassen diese das Wasser deutlich stärker anziehen als die Verbindungsglieder. Flüssigkeitstropfen, die sich an den Gliedern bilden, werden deshalb regelrecht von den Spindeln angesaugt, während die Glieder weiterhin der Luft die Feuchtigkeit entziehen.

Ein vergleichbares Verhalten ließ sich bei ähnlich dicken Nylonfäden oder Fäden aus Seide von der Seidenraupe nicht beobachten, schreiben die Wissenschaftler. Die Materialien seien dafür zu glatt. Erst als sie mit speziell präparierten Nylonfäden die Struktur nasser Spinnenseide imitierten, zeigte sich ein dem Spinnenprodukt vergleichbares Wassersammelvermögen. Das gelang den Forschern mit Hilfe eines chemischen Überzugs für das Nylon, der in regelmäßigen, spindelförmigen Klumpen auftrocknete.

Auch eine mögliche Anwendung haben die Forscher im Blick: Künstliche Seidenfäden könnten in trockenen Gegenden Wasser aus der Luft ziehen oder in Industrieanlagen Dienst als Filter für Aerosole tun. Im Gegensatz zu den herausragenden mechanischen Eigenschaften der Spinnenseide, die sich mit Kunstmaterialen nur unvollkommen nachempfinden lassen, ist die Herstellung eines Wassersammelfadens nach Spinnenseidenprinzip eine leichtere Aufgabe. (jd)
5. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 5. KW 2010

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  • Quellen
Zheng, Y. et al.: Directional water collection on wetted spider silk. In: Nature 10.1038/nature08729, 2010.

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