Material Hub

Professor Studart, was fasziniert Sie an Perlmutt?

Perlmutt besteht zu 95 Prozent aus Kalziumkarbonat, lässt sich aber kaum brechen. Denn dieser Kalk und ein organisches Material sind in einer winzigen Backstein-Mörtel-Struktur organisiert. Wir fragten uns: Können wir ein Material mit denselben Eigenschaften – bruchfest, leicht, zäh – künstlich erzeugen? 

Und, wie lässt sich die Struktur nachbauen?

Statt Kalk verwenden wir fünfmal stärkeres Aluminiumoxid. Wir richten die Plättchen in einem Magnetfeld aus, die bei tausend Grad gepresst werden. Darin lassen wir den Mörtel, ein Polymer, eindringen. 

Was kommt heraus?

Es entsteht ein perlmuttähnlicher Verbundstoff. Die Aluminium-
oxid-Plättchen haben wir zusätzlich mit Titanoxid beschichtet. Dadurch bilden sich ab 800 Grad zwischen den Plättchen winzige Brücken. Je nachdem, wie viel Druck, Temperatur oder Brücken wir einsetzen, verändert sich das Verhältnis zwischen Härte, Leichtigkeit und Zähigkeit. Das macht das Material flexibel für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder Elektronikindustrie. Transparent hergestellt, könnte es potenziell auch als Schutzglas für Mobiltelefone eingesetzt werden.

Wie geht es weiter?

(Holt mattgraue runde Scheiben.) Eine ein Millimeter dicke Scheibe besteht aus 5’000 Schichten à 200 Nanometer. Drei Scheiben übereinander verstärken sich, ohne Dehnkraft zu verlieren. Nach sieben Jahren, sieben Doktoranden und vielen Studenten ist die Grundlagenforschung abgeschlossen. Wir können mit Unternehmen zusammenarbeiten. Perlmutt hat uns übrigens auf eine weitere Spur geführt. 

Erzählen Sie!

Muscheln werden von Mollusken, also Weichtieren, gebildet. Sie sondern Biomaterial ab und schichten es nach ihrem Plan. Das hat uns neugierig gemacht: Wie tun sie das genau? Wir haben gelernt, dass einfachste Lebewesen wie Bakterien interessante Stoffe entwickeln. Besonders spannend finden wir die Produzenten von Zellulosefasern, sogenannte Komagataeibacter sucrofermentans, die in fermentiertem Tee wie Kombucha vorkommen. Sie stellen reinste Zellulose her – auf kleinster Fläche in Wasser, bei Raumtemperatur und ohne Druck. Wir müssen sie nur mit Zuckerabfällen aus der Landwirtschaft und Fruchtsaftindustrie füttern.

Weshalb ist es relevant, Zellulose zu fabrizieren?

In der Natur nutzen Bakterien Zellulose, um sich zu schützen und sauerstoffreiche Umgebungen zu erreichen. In Textil- und Verpackungsanwendungen möchten wir sie nutzen, um in einem schnellen Prozess grosse Mengen an Zellulose zu produzieren. Eine Möglichkeit ist die Mutation von Wildtypen: Wir beschleunigen den natürlichen Evolutionsprozess, indem wir sie viel UV-C-Licht aussetzen. Dieses beschädigt die DNA an zufälligen Stellen. In der Dunkelkammer ruhend, werden die Bakterienzellen daran gehindert, Schäden zu reparieren. So bilden sich Mutationen. 

Wie finden sich die produktivsten Bakterien?

Eine Mikrosortiermaschine, ein Chip, verkapselt zunächst jede Zelle mit einem Tröpfchen Nährstoff. Danach lassen wir sie 24 Stunden Zellulose produzieren. Der Chip detektiert in zehn Minuten unter einer Million vier Überproduzenten. Bei diesen haben wir das Genom bestimmt und festgeschrieben. 

Wie geht es den Bakterien inzwischen?

Sie produzieren seit drei Jahren stabil Zellulose, genau so viel, wie wir wünschen. Das erreichen wir, weil wir sie einem natürlichen Prozess aussetzen. Anders als in der synthetischen Biologie sorgen wir dafür, dass der ganze Mikroorganismus mit der Mutation zufrieden ist.

2024 haben Sie die Plattform und das Genom patentieren lassen. Was sind die Pläne? 

Um die Zellulose zu implementieren, arbeiten wir mit der Industrie zusammen. Mehr darf ich noch nicht verraten. Nur so viel: In der Schweiz ist es sinnvoll, sich auf hohe Qualität, kleine lokale Produktion und technologische Schlüsselkomponenten zu konzentrieren. Etwa auf unserer Plattform die Mikrobiologie weiterzuentwickeln, um höchstmögliche Leistungsfähigkeit herauszuholen. In anderen Ländern kann es sinnvoll sein, im grossen Massstab zu produzieren. 

Welches Material der Natur inspiriert Sie als Forscher auch noch?

In Bezug auf Zellulose ist Holz erstaunlich. Auch Knochen finde ich ein schönes, nachhaltiges Material. Sie sind äusserst lebendig: Alle sieben Jahre erneuert sich das Kalzium unserer Knochen vollständig. Während dieser Zeit durchbohren Osteoklastenzellen alte Substanz, während dahinter Osteoblastenzellen neue aufbauen. Deshalb können wir mit unseren Knochen hundert Jahre leben.

Im ETH Material Hub kann man zum gläsernen Dach des Zürcher Stadthauses greifen – zu einem Glasbaustein von Gustave Falconnier. Der Architekt aus Nyon liess 1886 die ornamentale Form mundblasen und mit einem Glaspfropfen luftdicht verschliessen. Ebenso finden sich hier moderne Nachfahren – quadratische Glasbausteine aus Glashalbschalen, die zu einem luftdichten Hohlkörper verschmolzen sind. 

5’000 Materialmuster aus Glas, Stein, Gips, Holz, Lehm, Zement, Metall, Keramik und Kunststoffen können Besuchende im ETH Material Hub mit allen Sinnen erfahren – auch pflanzliche Werkstoffe und sogar solche tierischen Ursprungs. Der ETH Material Hub ist ein Gemeinschaftsprojekt des Departements Architektur und der ETH-Bibliothek.

Unter anderem erfährt man hier, wo der Muschelkalk in der Schweiz herkommt: aus Kirchheim, Estavayer-le-Lac, Würenlos und Mägenwil. «Interessant ist auch Marmor aus Saillon», sagt Katja Burzer vom ETH-Material-Hub-Team. Die grün-grauen Strukturen sehen aus wie versteinerte Wellen, andere wie Zickzacke. 

Futuristisch – und schön teuer

Was ist das futuristischste Material vor Ort? Wohl die Aerogele aus Kieselsäure, durch «überkritische Trocknung» aus 99 Prozent Luft bestehend, aufbewahrt in einem Glasbehälter. Ein sensuelles Erlebnis: der hochtransparente Dämmstoff entwickelt sofort Wärme. 

Das teuerste Material? Vielleicht die feuervergoldete Kupferplatte oder das Vantablack. Das «schwärzeste Schwarz» holt die Kunsthistorikerin Katja Burzer vom ETH Material Hub nur auf Nachfrage aus dem «Tresor»: eine kleine mattschwarze Fläche auf Alufolie hinter Plexiglas. Vanta steht für Vertically Aligned Nano Tube Array, senkrecht angeordnetes Nanoröhrenraster aus Kohlenstoff. In der extrem dichten Substanz bilden sich keine Reflexe. Vantablack ist für Messtechnik, Raumfahrt und Militär entwickelt worden.