Bild von einer Echse

Eine spezifische Oberflächenmikrostruktur ihrer Haut macht es der Echse möglich, Wasser auf ihrer Haut aufnehmen und dieses entlang ihrer Beine, über den Rücken in Richtung Maul transportieren

Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Flüssigkeitssammelnde Echsen sind Spezialisten, wenn es darum geht, in einer extrem trockenen Umgebung zu überleben. Feinste Oberflächenstrukturen ihrer Haut erlauben es ihnen, Wasser aufzunehmen und gerichtet über ihren Körper zu transportieren. Im Rahmen des EU-Projektes LiNaBioFluid ist es gelungen, diese Strukturen auf technische Oberflächen zu übertragen und ihre Funktionalität auch in anderen Anwendungsbereichen zu testen.

Der Natur auf die Finger schauen

Reibung erzeugt Verschleiß. Durch die ungleichmäßige Benetzung einer Oberfläche mit Schmiermittel kommt es in vielen industriellen Anwendungen zu starker Abnutzung oder zu erhöhtem Energiebedarf. Nacharbeiten, die diesem Problem entgegenwirken, sind häufig nur unter Rückgriff auf aufwendige Verfahren möglich. Auf der Suche nach einer Lösung lohnt es sich, einen Blick über den eigenen Tellerrand zu werfen. Denn die Tierwelt hält bereits Lösungen für ähnliche Probleme bereit. „Die Idee des LiNaBioFluid-Projektes ist es, der Natur auf die Finger zu schauen und Funktionalitäten, die die Natur beispielsweise auf Echsen realisiert, auf technischen Oberflächen nachzubilden“, erklärt Dr. Jörn Bonse vom Fachbereich Technologien mit Nanowerkstoffen, der zusammen mit seiner Kollegin Dr. Sabrina Kirner Echsenhaut und Oberflächenstrukturen zusammenbringt. Wenn bestimmte Echsenarten morgens durch den feuchten Wüstensand laufen, können sie geringe Mengen Wasser auf ihrer Haut aufnehmen und dieses entlang ihrer Beine, über den Rücken in Richtung Maul transportieren. Eine spezifische Oberflächenmikrostruktur ihrer Haut macht es der Echse möglich. Um diese Strukturen auf technische Oberflächen zu übertragen, nutzen die Forscherinnen und Forscher der BAM einen Laser, der extrem kurze Lichtpulse aussendet, deren Dauer im Bereich eines billiardsten Teils einer Sekunde liegt. Einen sogenannten Femtosekundenlaser. „Es gibt in der BAM seit dem Beginn der 90er Jahre eine breite Expertise für die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen. In den letzten Jahren hat sich die Forschung stark in Richtung Oberflächenstrukturierung mit Mikro- und Nanostrukturen entwickelt“, so Bonse.

Sieben Partnerorganisationen für ein Ziel

Eine Besonderheit des LiNaBioFluid-Projektes besteht in der stark interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Forscherinnen und Forschern auf dem Gebieten der Biologie, Materialwissenschaften, Chemie und Physik. Ein interdisziplinäres Konsortium aus vier europäischen Ländern arbeitet zusammen am Erfolg des Projektes. Dabei sind sieben Partnerorganisationen aus Griechenland, Spanien, Deutschland und Österreich, sowie ein Unternehmen aus der freien Wirtschaft. Für ihre herausragende Forschungsarbeit haben die Projektpartner aus Aachen und Linz bereits 2016 den renommierten „International Bionic Award“ der Schauenburg-Stiftung bekommen. Das LiNaBioFluid-Projekt läuft über drei Jahre und ist von der Europäischen Union finanziert. Die Aufgabe der BAM in dem EU-Projekt ist die Mikro- und Nanostrukturierung technischer Oberflächen mit Femtosekundenlasern. „Darüber hinaus testen wir in Zusammenarbeit mit dem Fachbereich Makro-Tribologie und Verschleißschutz die entstandenen Strukturen auf ihre tribologische Wirksamkeit, überprüfen also in verschiedenen Schmiermitteln, ob man so die Reibung und den damit verbundenen Verschleiß minimieren kann“ erläutert Bonse die Projektarbeiten und fügt hinzu: „Hinsichtlich der Erhöhung der Lebensdauern von gegeneinander reibenden Oberflächen und einer möglichen Reduktion von Energieverlusten hat das natürlich ein riesiges technologisches Potenzial.“

Das Projekt hat einen starken biologischen Einschlag und profitiert daher enorm von der Expertise der entsprechenden universitären Projektpartner in Linz und Aachen. „Die Biologinnen und Biologen liefern uns Bilder und Modelle von den Oberflächen der Tiere, wie sie in der Natur vorliegen. Wir übertragen diese durch die Laserstrukturierungen auf technische Werkstoffe. Dazu benutzen die beteiligten Institute unterschiedliche Ultrakurzpuls-Lasersysteme und auch unterschiedliche Prozessstrategien. Projektpartner in Griechenland untersuchen auch das Benetzungsverhalten solcher laserstrukturierter Oberflächen mit unterschiedliche Flüssigkeiten wie Wasser und Öl, erklärt Dr. Sabrina Kirner die interdisziplinäre Zusammenarbeit.

Von der Forschung zur Anwendung

Die abstrahierten Strukturen sind an der BAM in einem ersten Forschungsabschnitt im Labormaßstab auf verschiedene Metallproben übertragen worden. Bonse erklärt: „Wir erzeugen mit den Lasern verschiedene Arten von Oberflächenstrukturen im Nanometer- und Mikrometerbereich. Für deren Charakterisierung haben wir das Glück, dass wir in der Abteilung Materialschutz und Oberflächentechnik und besonders durch die hervorragende Zusammenarbeit mit den Fachbereichen die Oberflächenanalysemethoden und die Kompetenz der beteiligten Kolleginnen und Kollegen nutzen können. Da profitieren wir wirklich enorm von der guten Ausstattung der BAM."

Derzeit übertragen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Spanien, Deutschland, Griechenland und Österreich diese Laborergebnisse auf größere, industrierelevante Flächen und testen deren Eigenschaften. Ein besonderes Interesse an den Forschungsergebnissen besteht seitens der Maschinenbau- und Automobilindustrie.

Stahlprobe

Durch einen Femtosekundenlaser bearbeite Stahlprobe. Die Farbwirkungen der vier Felder entstehen durch Beugung des Umgebungslichtes an den laserinduzierten periodischen Nanostrukturen auf der Oberfläche.

Quelle: BAM, Fachbereich Technologien mit Nanowerkstoffen

Über LiNaBioFluid

Die Idee des EU-Projekts LiNaBioFluid (Laser-induced Nanostructures as Biomimetic Model of Fluid Transport in the Integument of Animals) ist, Echsen und Rindenwanzen als Vorbild der Natur zu nutzen, um eine Funktionalisierung technischer Oberflächen zu realisieren.

Für beide Tiere bewirken die einzigartigen Benetzungseigenschaften der Außenhülle, dass Flüssigkeiten gerichtet übertragen werden können: In Trockenheit (z.B. Wüsten) lebende Echsen sind in der Lage, Flüssigkeit durch feine Kapillaren unidirektional zum Maul zu transportieren. Rindenwanzen dagegen nutzen die Benetzung mit Wasser zur Tarnung, um sich bei Regen durch eine dunklere Färbung der natürlichen Umgebung anzupassen oder auch um ölige Verteidigungssekrete gerichtet zu verteilen.

Ziel des Projekts ist es, diese Effekte auf technischen Oberflächen nachzubilden. Um die biomimetischen Strukturen für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen, werden an der BAM mithilfe von Ultrakurzpulslasern durch Direktstrukturierung und Selbstorganisation hierarchische Mikro- und Nanostrukturen auf verschiedenen Werkstoffen erzeugt. Die so optimierten Oberflächen- und Benetzungseigenschaften könnten unter anderem Reibung und Verschleiß bei Verwendung von flüssigen Schmierstoffen reduzieren.

Das interdisziplinäre Konsortium des Projekts LiNaBioFluid besteht aus sieben Partnern aus vier verschiedenen Ländern. Das sind neben der BAM:

Foundation for Research and Technology Hellas

Spanischer Nationaler Forschungsrat, CSIC

Johannes Kepler Universität Linz, JKU

High Tech Coatings GmbH, HTC

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie, IPT

Rheinisch-Westfälischen Technische Hochschule Aachen, RWTH

Das Projekt wird im Rahmen des EU-Programms Horizon 2020 FET Open gefördert (Förderkennzeichen: 665337).