Die Physik der Dornen und Stacheln

Rosen schützen sich mit spitzen Stacheln, Viren durchstoßen Zellwände mit Stacheln und Narwale orientieren sich mit einem langen Stoßzahn. Diese spitzen Strukturen unterscheiden sich zwar in ihrer Größe um mehrere Größenordnungen, sind aber trotzdem alle nach dem gleichen Prinzip aufgebaut. Zu diesem Ergebnis kamen Wissenschaftler, indem sie Länge, Durchmesser und Stabilität der Strukturen verglichen. Wie die Forscher nun in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten, helfen die Ergebnisse möglicherweise bei der Fertigung von medizinischen Nadeln.

Gemeinsam mit seinen Kollegen analysierte Kaare Hartvig Jensen von Dänemarks Technischer Universität in Lyngby zunächst verschiedene Stacheln und Dornen aus der Tier- und Pflanzenwelt. Auf Grundlage von Literaturwerten verglichen die Forscher den Durchmesser der Stachelbasis mit der jeweiligen Stachellänge. Demnach variierte die Länge der Stacheln, Dornen oder Stoßzähne zwischen vierzig Nanometern und viereinhalb Metern. Doch für alle Strukturen gilt offenbar der gleiche mathematische Zusammenhang: Sie sind ungefähr 17-mal länger als der Durchmesser ihrer jeweiligen kreisrunden Basis.

Danach verglichen Jensen und seine Kollegen die Stabilität der Stacheln und Dornen. Die natürlichen Strukturen seien meist gerade stabil genug, um eine ihren Zweck zu erfüllen, berichten die Forscher. So könne beispielsweise ein Virus die Zellwand einer Zelle durchstoßen und eine Mücke die Haut eines Menschen. Auch dieser Vergleich des sogenannten Elastizitätsmoduls – ein Wert für die Stabilität beim Verbiegen – zeigte, dass sich alle Dornen und Stacheln mit der gleichen mathematischen Gleichung beschreiben lassen. „Das Design der spitzen Strukturen ist sehr ähnlich – vom Nanostachel eines Virus bis zum sogenannten Rostrum eines Schwertfisches“, fasst Jensen die Ergebnisse zusammen.

Die Biophysiker untersuchten aber nicht nur natürliche Dornen und Stachel. Auch vom Menschen gefertigte medizinische Nadeln, Nägel und historische Lanzen ergänzten sie in ihrer Vergleichsstudie. Selbst diese spitzen Strukturen gehorchten weitestgehend der von ihnen aufgestellten Gleichung. Jedoch waren historische Waffen etwas weniger stabil, moderne Injektionsnadeln dafür etwas stabiler als der jeweils berechnete Idealwert. „Diese neuen Erkenntnisse können für die Berechnung des optimalen Designs eines spitzen Objekts genutzt werden“, sagt Jensen. So könne in Zukunft der Materialeinsatz – ohne Einbußen der geforderten Stabilität – reduziert werden.