3D-gedruckte Fasern, inspiriert von Spinnenseide und Schleimaal-Schleim, erreichen eine Dicke von nur 1,5 Mikrometern – bis zu 100-mal dünner als Papier.
Seit Jahrtausenden lassen sich Wissenschaftler, Architekten und Künstler von der Natur inspirieren. Jetzt haben Ingenieure einen großen Durchbruch erzielt: Mithilfe einer neuen 3D-Drucktechnik konnten sie extrem feine Mikrofasern herstellen, die lediglich 1,5 Mikrometer dick sind.
Wie in einer aktuellen Studie in Nature Communications beschrieben, haben die Forscher damit eine lang bestehende technische Hürde im 3D-Druck überwunden: das Drucken von ultradünnen, weichen Materialien.
„In der Natur gibt es viele fadenartige Strukturen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser haben“, erklärt Mohammad Tanver Hossain, Ingenieur an der University of Illinois Urbana-Champaign. „Wir wussten, dass es möglich sein muss.“
Die Technik hinter dem Durchbruch
Hossain und sein Team entwickelten ein Verfahren namens „Embedded Printing“. Hierbei wird das Druckmaterial in eine Gel-Matrix eingebettet. Im Gegensatz zum herkömmlichen 3D-Druck, bei dem Schicht für Schicht von unten nach oben aufgebaut wird, stützt diese Methode das Material bereits während des Druckvorgangs.
Bisher war das Drucken von haarfeinen Strukturen unter 16 Mikrometern problematisch, da sie vor der Aushärtung schnell brechen.
„Wir haben das Gel und die Drucktinte so modifiziert, dass die Tinte sofort nach dem Auftragen im Gel aushärtet“, erklärt Hossain. „Das verhindert das Abbrechen des Filaments, da es praktisch sofort fest wird.“ Dank dieser Technik konnten die Forscher nun Fasern mit nur 1,5 Mikrometern Durchmesser herstellen. Zum Vergleich: Papier ist zwischen 50 und 200 Mikrometer dick.
„Mit dieser hohen Druckauflösung haben wir nun die Grundlage geschaffen, um Mikrofasern und haarähnliche Strukturen aus der Natur nachzubilden, die erstaunliche Funktionalitäten besitzen“, so Wonsik Eom, Ingenieur an der Dankook University.
Inspiration aus der Natur: Der Schleimaal als Vorbild
Hossain, Eom und ihr Team ließen sich von den Schleimfäden des Schleimaals inspirieren. Diese aalartigen Meerestiere geben faserigen Schleim ab, um sich zu verteidigen oder Beute zu fangen. Die unglaubliche Vielseitigkeit dieses Schleims liegt in seinen Mikrofasern begründet.
„Wir haben uns das Embedded Printing als Methode zunutze gemacht, um diese Fasern nachzubilden“, sagt Eom. „Im Laufe unserer Forschung wurde uns klar, dass wir mit hochauflösendem Embedded 3D-Druck weitaus mehr natürliche Strukturen nachbilden können, als wir zunächst erwartet hatten.“
„Das Besondere an dieser Methode ist, dass wir verschiedenste Haar-Geometrien drucken können, ohne dass die Schwerkraft auf diese feinen und flexiblen Strukturen einwirkt“, ergänzt Sameh Tawfick, Ingenieur an der University of Illinois Urbana-Champaign. „Dadurch können wir komplexe 3D-Haare mit ultradünnen Durchmessern mithilfe eines ultrapräzisen 3D-Druckers erzeugen.“
Dieser bahnbrechende Fortschritt zeigt nicht nur das enorme Potenzial von biomimetischem 3D-Druck, sondern erinnert uns auch daran, dass Mutter Natur immer noch die beste Ingenieurin ist.
