Spinnenseide blockiert Schall und Wärme

Dehnbar, leicht und dennoch extrem stabil: Mit diesen Eigenschaften begeistert Spinnenseide Materialwissenschaftler und inspiriert zur Entwicklung leichter und fester Fasern oder kugelsicherer Westen. Nun entdeckte eine internationale Forschergruppe ein weiteres, sehr ungewöhnliches Phänomen. Je nach Dehnung breiteten sich in den Spinnenfasern hochfrequente Schallwellen mehr oder weniger gut aus und konnten sogar völlig blockiert werden. In der Fachzeitschrift „Nature Materials“ erläutern die Forscher, wie sie diese in natürlichen Materialien wahrscheinlich einzigartige Bandlücke für mechanische Wellen, Phononen genannt, analysierten.

Spinnenseide im Querschnitt

„Phononen sind mechanische Wellen, die abhängig von der Dichte und den elastischen Eigenschaften eines Materials unterschiedlich stark gestreut werden“, sagt Edwin Thomas von der Rice University in Houston. Zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz und der Universität von Kreta in Heraklion untersuchte er, wie sich die Phononen in Fasern der Seidenspinne Nephila edulis ausbreiteten. Dazu nutzten sie eine ausgeklügelte Methode, mit der über die Streuung von Licht auf die akustischen und elastischen Eigenschaften der Fasern zurückgeschlossen werden konnte. „Über diese Brillouin-Streuung konnten wir erstmals eine phononische Bandlücke in einem biologischen Metamaterial belegen“, erklärt der griechische Forscher George Fytas.

In völlig entspannten Spinnenfasern breiteten sich die mechanischen Wellen mit einer Frequenz von etwa 15 Gigahertz relativ langsam aus. Über einen weiten Frequenzbereich von gut fünf Gigahertz wurden die Wellen sogar völlig blockiert. Dieses Verhalten änderte sich jedoch deutlich, sobald die Fasern gedehnt wurden. Nun stieg die Schallgeschwindigkeit um fast 30 Prozent auf bis zu 6260 Meter pro Sekunde an. Und auch die Bandlücke, in der die Wellenausbreitung blockiert wurde, schrumpfte um ein Drittel. Abhängig von der Dehnung der Spinnenseide konnte so die Ausbreitung von mechanischen Wellen und damit auch von Schall und sogar Wärme signifikant verändert werden.

Für dieses Verhalten machten die Forscher den filigranen Aufbau der Fasern verantwortlich. So fanden sich in jeder Faser winzige Nanofibrillen, die aus relativ steifen Proteinkristallen – eingelagert in einer weicheren, nicht kristallinen Umgebung – bestanden. Wurde eine Faser nun gedehnt, ordneten sich die Nanofibrillen parallel an und schwache, chemische Bindungen brachen auf. Diese komplexe Struktur erklärt auch die hohe Flexibilität und Festigkeit der Fasern.

Als Anwendung schwebt den Forschern nun ein bionisches Material vor, das Schall und Wärme je nach Dehnung unterschiedlich gut leiten und damit quasi als Schalter dienen könnte. Spinnen produzieren allerdings nur sehr geringe Mengen. So stehen nun weitere Versuche an, um die Fasern von Seidenraupen auf dieses Verhalten für mechanische Wellen zu untersuchen. In Zukunft wäre es sogar vorstellbar, künstliche Fasern mit ähnlichen komplexen Nanostrukturen zu synthetisieren.