Carl-Zeiss-Förderung: Baumaterialien wie Insektenpanzer

Chitin ist Hauptbestandteil des Exoskeletts von Insekten, Spinnen- und Krebstieren und sorgt zum Beispiel bei einem Insektenpanzer dafür, dass dieser robust und zugleich biegsam ist. Eine Forschungsgruppe um Prof. Sabine Laschat an der Universität Stuttgart möchte aus Chitin und seinen Derivaten in einem wasser-basierten Prozess Werkstoffe entwickeln, die für Spezialanwendungen im Bauwesen geeignet sind und dort den Energieverbrauch nachhaltig senken sollen. Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert das Projekt im Rahmen ihrer Förderlinie „Perspektiven“ mit rund zwei Millionen Euro.

Das Polymer Chitin ist in der Natur weit verbreitet und besitzt faszinierende mechanische und optische Eigenschaften, die man gerne auch technisch nutzbar machen würde. Attraktiv wären Chitin-basierte Werkstoffe insbesondere deshalb, weil sie hydrophob sind und daher im Gegensatz zu Cellulose-basierten Materialien kein Wasser aufnehmen können, was sie resistent gegen Schimmel macht. Zudem werden sie durch chemische Modifikation feuerfest, sind mechanisch sehr robust und anders als synthetische Polymere kompostierbar. 

Die technische Nutzung von Chitin steht jedoch noch am Anfang, da das Polymer bisher nur unter Schwierigkeiten in einer Lösung modifiziert (prozessiert) werden kann. Vor diesem Hintergrund verfolgt das Projekt „Chitinfluid – Chitin als Ressource für multifunktionale Werkstoffe via wasser-basierter komplexer Fluide“ das Ziel, eine einfache wasserbasierte Prozessierung von Chitin und seinen Derivaten zu intelligenten Werkstoffen zu entwickeln. Eingesetzt werden diese zunächst in Spezialanwendungen im Bausektor, die den enormen Energie- und Ressourcenverbrauch sowie die hohen CO2-Emissionen in dieser Branche eindämmen sollen. Darüber hinaus sind Chitin-haltige Hybridwerkstoffe als photonische Materialien (z.B. als Ersatz von Effektpigmenten) oder bei Faserverbundwerkstoffen als Ersatz von Carbonfasern denkbar. Hiervon könnten die Automobilindustrie und viele andere Bereiche profitieren.

Eine zentrale Herausforderung für die technische Nutzung von Chitin ist dessen Überführung in eine auf der Nanoskala geordnete, aber fluide prozessierbare Form. Dies soll über mehrere Schritte untersucht werden: Zunächst wollen die Forschenden den Rohstoff Chitin mit Hilfe von Mikroorganismen „umprogrammieren“, damit modifizierte Zucker-Monomere in die wachsende Polymerkette eingebaut und maßgeschneiderte Chitin-Copolymere mit veränderbaren strukturellen und mechanischen Eigenschaften erzeugt werden. Diese Chitin-Derivate sollen über komplexe Fluide (kolloidaler Chitin-Lösungen, lyotrop flüssigkristalline Lösungen oder Hydrogele) prozessierbar gemacht werden. Die dabei entstehenden komplexen Fluide sollen durch kontrollierten Wasserentzug, Mineralisation oder Treibmittel zu festen Schäumen, Verbundwerkstoffen oder Beschichtungen verarbeitet werden, die einstellbare Biegesteifigkeiten aufweisen für die additive Fertigung geeignet sind. Schließlich sollen erste Prototypen innovativer Baumaterialien und Komponenten entwickelt und Optimierungsregeln zum Beispiel für die akustische Absorption, Wärmedämmung und Kompostierbarkeit definiert werden. 

Da diese Forschungsziele nur interdisziplinär umgesetzt werden können, bringen gleich sieben Wissenschaftler*innen aus sechs Instituten der Universität Stuttgart ihre Kernkompetenzen in das Projekt ein: 

• Prof. Sabine Laschat (Sprecherin, Institut für Organische Chemie): Chemoenzymatische Synthese organischer Funktionsmoleküle (ionische Flüssigkristalle, Kohlenhydrate)
• Prof. Hanaa Dahy (Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen): Baumaterialien, Komponentenentwicklung, Nachhaltigkeit 
• Prof. Harald Garrecht (Institut für Werkstoffe im Bauwesen & Materialprüfungsanstalt): Werkstoffe im Bauwesen, Spezialbetone 
• Prof. Frank Giesselmann (Institut für Physikalische Chemie, IPC): Soft Matter, Lyotrope Flüssigkristalle
• Apl. Prof. Dr. Thomas Sottmann (IPC): Komplexe Fluide, Herstellung poröser biobasierter Materialien.
• Dr. Linus Stegbauer (Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie, IGVP): Chemie bioinspirierter Strukturmaterialien.
• Prof. Ingrid Weiss (Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme): Chitin-Biosynthese & Biomodifikation.

Die Charakterisierung und anwendungsorientierten Aspekte werden vom Forschungsverbund AMICA (Advanced Materials Innovation and Characterization), ein Zentrum für Multiskalen-Materialcharakterisierung und Visualisierung an der Universität Stuttgart, bearbeitet.

Bei der aktuellen Ausschreibung der Carl-Zeiss-Stiftung haben in einem zweistufigen Gutachterverfahren vier Forschungsprojekte der Universitäten Stuttgart, Konstanz, Mainz und Jena überzeugt und werden mit jeweils zwei Millionen Euro gefördert. Alle Projekte untersuchen, wie durch neue Stoffverbindungen herkömmliche Werkstoffe „intelligenter“ werden können, sich an neue Situationen anpassen und gewünschte „Verhaltensweisen“ entwickeln.

Über die Carl-Zeiss-Stiftung

Die Carl-Zeiss-Stiftung hat sich zum Ziel gesetzt, Freiräume für wissenschaftliche Durchbrüche zu schaffen. Als Partner exzellenter Wissenschaft unterstützt sie sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Forschung und Lehre in den MINT-Fachbereichen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik). 1889 von dem Physiker und Mathematiker Ernst Abbe gegründet, ist die Carl-Zeiss-Stiftung eine der ältesten und größten privaten wissenschaftsfördernden Stiftungen in Deutschland. Sie ist alleinige Eigentümerin der Carl Zeiss AG und SCHOTT AG. Ihre Projekte werden aus den Dividendenausschüttungen der beiden Stiftungsunternehmen finanziert.