Der erste Flug eines Schmetterlings inspiriert eine neue Methode zur Erzeugung von Kraft und Elektrizität.

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben die folgenden Merkmale hervorgehoben und dabei die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

• faktengeprüft
• peer-reviewed Veröffentlichung
• vertrauenswürdige Quelle

korrekturgelesen von der Singapore University of Technology and Design

Die Flügel eines Schmetterlings bestehen aus Chitin, einem organischen Polymer, das der Hauptbestandteil der Schalen von Gliederfüßern wie Krebstieren und anderen Insekten ist. Wenn sich ein Schmetterling in der letzten Phase der Metamorphose aus seinem Kokon entfaltet, werden seine Flügel langsam in ihrer vollen Pracht entfaltet.

Während des Entfaltungsprozesses trocknet das chitinöse Material aus, während Blut durch die Adern des Schmetterlings gepumpt wird und dabei Kräfte erzeugt werden, die die Moleküle des Materials neu anordnen und ihm die einzigartige Festigkeit und Steifheit verleihen, die für den Flug erforderlich ist. Diese natürliche Kombination aus Kräften, Wasserbewegung und molekularer Organisation dient als Inspiration für die Forschung von Associate Professor Javier G. Fernandez.

Zusammen mit anderen Forschern der Singapore University of Technology and Design (SUTD) hat Fernandez die Verwendung von chitinösen Polymeren als nachhaltiges Material für technische Anwendungen erforscht.

In ihrer neuesten Studie mit dem Titel "Sekundäre Neuausrichtung und hygroskopische Kräfte in chitinösen Biopolymeren und ihre Verwendung in passiver und biochemischer Aktuation", die in Advanced Materials Technologies veröffentlicht wurde, beleuchtet das Forschungsteam die Anpassungsfähigkeit und molekularen Veränderungen von chitinösen Materialien als Reaktion auf Umweltveränderungen.

SUTD-Forscher entdecken die vielversprechende Fähigkeit von Chitin als nachhaltiges intelligentes Biomaterial. Durch den Austausch von Wasser mit der Umgebung können chitinöse Filme, die auf Luftfeuchtigkeit reagieren, mechanische und elektrische Energie erzeugen, die für den Einsatz in Ingenieur- und biomedizinischen Anwendungen geeignet ist. Credit: SUTD

"Wir haben gezeigt, dass chitinöse Polymere auch nach der Extraktion aus natürlichen Quellen ihre natürliche Fähigkeit behalten, verschiedene Kräfte, molekulare Organisation und Wasseranteil miteinander zu verbinden, um mechanische Bewegung zu erzeugen und Elektrizität ohne externe Stromquelle oder Steuerungssystem zu produzieren", sagte Fernandez und hob die einzigartigen Eigenschaften hervor, die chitinöse Polymere zu energieeffizienten und biokompatiblen intelligenten Materialien machen.

Chitin ist nach Zellulose das zweitreichste organische Polymer in der Natur und Teil jedes Ökosystems. Es kann aus verschiedenen Organismen leicht und nachhaltig gewonnen werden, und dasselbe SUTD-Forschungsteam hat gezeigt, dass es sogar aus städtischen Abfällen gewonnen werden kann.

In der vorliegenden Studie extrahierten die Forscher chitinöse Polymere aus weggeworfenen Krabbenschalen, um Filme herzustellen, die etwa 130,5 Mikrometer dick sind. Sie untersuchten die Auswirkungen äußerer Kräfte auf diese chitinösen Filme und konzentrierten sich auf Veränderungen in der molekularen Organisation, im Wasseranteil und in den mechanischen Eigenschaften. Die Forscher stellten fest, dass das Strecken der chitinösen Filme, ähnlich wie bei den sich entfaltenden Flügeln von Schmetterlingen, die kristalline Struktur neu anordnete - die Moleküle wurden enger gepackt und der Wasseranteil nahm ab.

Anfänglich ähnelten die chitinösen Filme handelsüblichen Kunststoffen. Sie wurden jedoch zu einem Material umgewandelt, das für Hochleistungs- und spezialisierte technische Zwecke geeignet ist. Im Gegensatz zur Inertheit synthetischer Polymere konnten sich die neu angeordneten chitinösen Filme autonom an Umweltveränderungen anpassen und sich zusammenziehen, ähnlich wie einige Insekten ihre Schalen an unterschiedliche Situationen anpassen. Diese Fähigkeit ermöglicht es den chitinösen Filmen, Gegenstände mit einem Gewicht von über 4,5 Kilogramm vertikal anzuheben.

Um die technische Anwendbarkeit der biokompatiblen Filme zu demonstrieren, baute das Forschungsteam sie in eine mechanische Hand ein. Durch die Kontrolle des intermolekularen Wassers der Filme durch Umweltveränderungen und biochemische Prozesse erzeugte das Team ausreichend Kraft, um eine Greifbewegung der Hand zu ermöglichen. Beeindruckenderweise entsprach die Greifkraft 18 Kilogramm - mehr als der halben durchschnittlichen Griffstärke eines Erwachsenen.

Die Fähigkeit, eine solche Kraft auf biochemischem Wege zu erzeugen, legt auch die nahtlose Integration chitinöser Filme in biologische Systeme und deren Eignung für biomedizinische Anwendungen wie künstliche Muskeln und medizinische Implantate nahe.

In einer anderen Demonstration zeigte das Team, dass die Reaktion des Materials auf Feuchtigkeitsänderungen genutzt werden konnte, um Energie aus Umweltveränderungen zu gewinnen und in elektrischen Strom umzuwandeln. Durch Anbringen der Filme an ein piezoelektrisches Material wurde die mechanische Bewegung der Filme als Reaktion auf Feuchtigkeitsänderungen in elektrische Ströme umgewandelt, die zur Stromversorgung von kleinen elektronischen Geräten geeignet sind.

Fernandez's proof-of-concept study illustrates how both the native mechanical characteristics and embedded functionalities of chitin can be reproduced, emphasizing the potential use of chitin in engineering and biomedical applications. He opines that materials like chitin play a vital role in the transition to a more sustainable paradigm, which he terms as the biomaterial age.

'Chitin is used for many complex functions in nature, from making the wings of insects to forming the hard protective shells of mollusks, and has direct engineering application. Our ability to understand and use chitin in its native form is critical to enable new engineering applications and develop them within a paradigm of ecological integration and low energy,' concluded Fernandez.

Journal information: Advanced Materials Technologies

Provided by Singapore University of Technology and Design