Neue künstliche Spinnenseide: Stärker als Stahl und 98 Prozent Wasser

Die Seide der bescheidenen Spinne hat einige ziemlich beeindruckende Eigenschaften. Sie ist eines der stabilsten Materialien, die in der Natur vorkommen, stärker als Stahl und zäher als Kevlar. Sie kann um das Mehrfache ihrer Länge gedehnt werden, bevor sie bricht. Aus diesen Gründen ist die Nachbildung von Spinnenseide im Labor seit Jahrzehnten eine Art Besessenheit unter Materialwissenschaftlern.

Jetzt haben Forscher der Universität Cambridge ein neues Material entwickelt, das die Festigkeit, Dehnbarkeit und Energieabsorptionsfähigkeit von Spinnenseide nachahmt. Dieses Material bietet die Möglichkeit, Produkte von Fahrradhelmen über Fallschirme und kugelsichere Jacken bis hin zu Flugzeugflügeln zu verbessern. Seine vielleicht beeindruckendste Eigenschaft? Es besteht zu 98 Prozent aus Wasser.

„Spinnen sind interessante Vorbilder, weil sie in der Lage sind, diese hervorragenden Seidenfasern bei Raumtemperatur mit Wasser als Lösungsmittel herzustellen“, sagt Darshil Shah, Ingenieur am Cambridge Centre for Natural Material Innovation. „Diesen Prozess haben Spinnen über Hunderte von Millionen Jahren entwickelt, aber wir konnten ihn bisher nicht kopieren.“

Die im Labor hergestellten Fasern bestehen aus einem Material, das Hydrogel genannt wird, das zu 98 Prozent aus Wasser und zu 2 Prozent aus Kieselsäure und Zellulose besteht, wobei die beiden letzteren von Cucurbiturils zusammengehalten werden, Molekülen, die als „Handschellen“ dienen. Die Kieselsäure- und Zellulosefasern können aus dem Hydrogel herausgezogen werden. Nach etwa 30 Sekunden verdunstet das Wasser und zurück bleibt nur der starke, dehnbare Faden.

Die Fasern sind extrem stark – wenn auch nicht ganz so stark wie die stärksten Spinnenseiden – und, was wichtig ist, sie können bei Raumtemperatur ohne chemische Lösungsmittel hergestellt werden. Das bedeutet, dass sie, wenn sie in großem Maßstab hergestellt werden können, einen Vorteil gegenüber anderen synthetischen Fasern wie Nylon haben, die extrem hohe Temperaturen zum Spinnen benötigen, was die Textilproduktion zu einer der schmutzigsten Industrien der Welt macht. Die künstliche Spinnenseide ist zudem vollständig biologisch abbaubar. Und da sie aus gewöhnlichen, leicht zugänglichen Materialien – hauptsächlich Wasser, Siliziumdioxid und Zellulose – hergestellt wird, hat sie das Potenzial, erschwinglich zu sein.

Da das Material so viel Energie absorbieren kann, könnte es möglicherweise als Schutzgewebe verwendet werden.

„Spinnen brauchen diese Absorptionskapazität, denn wenn ein Vogel oder eine Fliege ihr Netz trifft, muss es das absorbieren können, sonst geht es kaputt“, sagt Shah. „Dinge wie Splitterschutz oder andere militärische Schutzkleidung wären also eine spannende Anwendung.“

Andere potenzielle Anwendungen sind Segeltuch, Fallschirmstoff, Material für Heißluftballons und Fahrrad- oder Skateboardhelme. Das Material ist biokompatibel, was bedeutet, dass es innerhalb des menschlichen Körpers für Dinge wie Nähte verwendet werden könnte.

Die Fasern könnten auch auf eine Reihe von interessanten Arten modifiziert werden, sagt Shah. Wenn man die Zellulose durch verschiedene Polymere ersetzt, könnte man die Seide in ein völlig anderes Material verwandeln. Die grundlegende Methode könnte repliziert werden, um Versionen vieler Stoffe mit geringer Hitze und ohne chemische Lösungsmittel herzustellen.

„Es ist eine generische Methode, um alle Fasern herzustellen, um jede Form von Faser 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 notwendige Enge nicht tolerieren würden, so dass die Hinwendung zum Labor die einzige Möglichkeit ist, signifikante Mengen des Materials zu erhalten. Alle paar Jahre gibt es Schlagzeilen über neue Fortschritte in diesem Prozess. Ein deutsches Team hat E-coli-Bakterien so modifiziert, dass sie Spinnenseidenmoleküle produzieren. Wissenschaftler der Utah State University züchteten genetisch veränderte „Spinnenziegen“, die in ihrer Milch Seidenproteine produzieren. Die US-Armee testet mit modifizierten Seidenraupen hergestellte „Drachenseide“ für den Einsatz in kugelsicheren Westen. Anfang dieses Jahres veröffentlichten Forscher des schwedischen Karolinska-Instituts eine Arbeit über eine neue Methode zur Verwendung von Bakterien, um Spinnenseidenproteine auf eine potenziell nachhaltige und skalierbare Weise zu produzieren. Und in diesem Frühjahr stellte das kalifornische Startup Bolt Threads auf dem SXSW-Festival erstmals biotechnisch hergestellte Krawatten aus Spinnenseide vor. Ihr Produkt wird durch einen Hefefermentationsprozess hergestellt, der Seidenproteine produziert, die dann durch einen Extrusionsprozess zu Fasern werden. Es ist so vielversprechend, dass es zu einer Partnerschaft mit dem Outdoor-Hersteller Patagonia geführt hat.

Aber, wie eine Wired-Story aus dem Jahr 2015 zeigt, „bisher ist jede Gruppe, die versucht hat, genug von dem Zeug zu produzieren, um es auf den Massenmarkt zu bringen, von Forschern bis hin zu riesigen Konzernen, so ziemlich gescheitert.“

Dies ist die Herausforderung, vor der Shah und sein Team gerade stehen.

„Derzeit stellen wir etwa ein paar Dutzend Milligramm dieser Materialien her und ziehen dann Fasern daraus“, sagt er. „Aber wir wollen versuchen, dies in einem viel größeren Maßstab zu tun.“

Um dies zu erreichen, arbeitet das Team an einem Robotergerät, das die Fasern schneller und in einem größeren Maßstab als bisher ziehen und spinnen kann. Sie hatten bereits einige Erfolge, sagt Shah, und erforschen den Prozess weiter.

„Wir sind noch in den frühen Stadien der Forschung“, sagt er.

Die Ergebnisse des Teams wurden kürzlich in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.