So kann Seide beim Aufbau des 6G-Netzwerks helfen

Beim Schlagwort Seide denken viele wohl zunächst an luxuriöse Kleidung. Doch bereits im antiken China wurden die langen Fasern aus den Kokons des Maulbeer-Seidenspinners für Musikinstrumente, zum Fischen oder Jagen weiterverarbeitet.

Ein internationales Forschungsteam hat diesen Gedanken nun ins 21. Jahrhundert geholt und Seide für High-Tech-Anwendungen aufbereitet. Die Forscherinnen und Forscher vom Imperial College London, der University of Michigan und der Tufts University haben eine Methode entwickelt, mit der sich die Fasern in ein außerordentlich festes Material verwandeln lassen. Wegen seiner optischen Eigenschaften eignet es sich potenziell für eine Anwendung im 6G-Netzwerk. Weil es außerdem biokompatibel ist, könnte es für Implantate eingesetzt werden. Details wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Sustainability veröffentlicht.

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Hitze und Druck lassen Fasern verschmelzen

Bei dem neu entwickelten Verarbeitungsprozess werden zunächst die Sericine, das sind Kleberproteine auf der Oberfläche von Seidenfasern, durch Kochen entfernt. Die Fasern selbst werden anschließend parallel zueinander ausgerichtet.

Bei Temperaturen von 125 bis 215 Grad Celsius und davon abhängig einem Druck von 0,5 bis 1 Gigapascal verschmelzen sie dann miteinander. Denn unter diesen Bedingungen werden die amorphen, d.h. ungeordneten Strukturen der Seidenproteine über die Fasergrenzen hinweg beweglich. Gleichzeitig bleiben die kristallinen Bereiche der Seidenfasern größtenteils intakt, sodass ihre besonderen Materialeigenschaften bestehen bleiben.

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Zum Vergleich, ein Autoreifen sollte einen Druck von etwa 2 Bar haben. Das entspricht 0,0002 Gigapascal, also mindestens um den Faktor 2500 weniger.

Keine Lösungsmittel nötig

Das neue Verfahren unterscheide sich erheblich von den derzeit üblichen, sagt Emiliano Bilotti, der das Forschungsprojekt am Imperial College in London geleitet hat, in einer Aussendung: „Die meisten fortschrittlichen Seidenmaterialien werden heute hergestellt, indem man die Fasern auflöst und neu aufbaut, was ihre Struktur zerstört und hohe Umweltbelastungen mit sich bringt. Wir wollten herausfinden, ob es möglich ist, Seide so nah wie möglich an ihrem natürlichen Zustand zu belassen und sie dennoch zu nützlichen, leistungsstarken Bauteilen beliebiger Geometrie zu formen.“

Ihnen gelang eine rein physikalische Verarbeitungsmethode, die völlig ohne umweltschädliche Zusätze oder Lösungsmittel auskommt. Chunmei Li, Bioingenieur an der Tufts University betont zudem: „Es kann ein sehr einfacher Prozess mit nur einem Schritt sein.“

Einsatz im 6G-Netz denkbar

In mechanischen Tests konnten die Forscherinnen und Forscher zeigen, dass ihr neues Seidenmaterial ähnliche bestehende Materialien in Biegefestigkeit und Zähigkeit übertrifft. Bei Aufpralltests konnte die verschmolzene Seide mehr Energie absorbieren als ein herkömmlicher carbonfaserverstärkter Kunststoff, wie er z.B. in der Luftfahrt, in der Automobilbranche oder bei Sport-Equipment verwendet wird.

Auch die optischen Eigenschaften des neuen Materials sind besonders. Im sichtbaren Licht ist es transparent. Gleichzeitig weist es im Terahertz-Bereich elektromagnetischer Frequenzen eine außergewöhnlich starke optische Aktivität auf. Das bietet laut den Forscherinnen und Forschern großes Potenzial für eine Nutzung im Terahertz-Band oberhalb derzeit genutzter 4G- und 5G-Frequenzen in Kommunikationsnetzen.

Implantate aus Seide

An der Tufts University untersuchten Li und Kollegen die Eignung der verschmolzenen Seide für medizinische Implantate. In Studien mit Labormäusen zeigte sich, dass das Material stabil und biokompatibel ist – eine seltene Kombination.

„Je nachdem, wie wir die Seide verarbeiten, können wir Materialien entwickeln, die sich entweder allmählich in das Gewebe integrieren oder für eine langfristige Stützfunktion stabil bleiben“, erklärt Li. Bei niedrigeren Press-Temperaturen löst sich die verschmolzene Seide im Körper leichter auf, bei hohen Temperaturen bleibt sie bestehen.

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Das Forschungsteam sucht nun nach Partnern aus der Industrie, um das neuartige Material in großen Mengen herstellen zu können. So soll es möglichst schnell auf den Markt kommen.