Es ist das zweithäufigste, biologische Material auf der Erde und jeder hat es schon einmal zu Gesicht bekommen: Chitin. Zu finden ist es in Muschelschalen, auf Schmetterlingsflügeln oder im Panzer vieler Insekten. Doch es ist nicht nur leicht und dabei sehr stabil, sondern besitzt auch eine natürliche Affinität zu Metallen wie Mangan, Eisen oder Zink. Diese Eigenschaft wird in der Natur gerne genutzt. Insekten beispielsweise bauen mit der Zeit kleine Metallteilchen in ihr Exoskelett ein, um dessen Widerstandskraft zu stärken.
Das Faszinierende dabei ist, dass dieser Metalleinbau unter normalen Bedingungen wie atmosphärischem Druck und Raumtemperatur passieren kann, während Menschen für die Metallverarbeitung Hochöfen und Druckkammern benötigen. Forschende um Seniorautor Javier Fernandez von der Singapur Universität für Technologie und Design nahmen sich genau diesen Prozess zum Vorbild und kreierten ein Verfahren, durch das Metallobjekte bei Raumtemperatur und normalem Druck hergestellt werden können. Dafür nutzten sie ein Derivat des Chitins, genannt Chitosan, welches sie aus Garnelenschalen extrahieren konnten.
Zunächst lösten die Forscher den Naturstoff in einer schwachen Säure und gaben dann wahlweise Kupfer, Zinn oder rostfreien Stahl hinzu, bis eine Suspension entstand, die nach dem Austrocknen zu einer harten Metallschicht erstarrte. Die Chitosan-Neuverbindungen ziehen bei dieser Verarbeitung die Metallpartikel an sich,so dass feste Strukturen allein durch das Verdunsten der überschüssigen Flüssigkeit möglich sind. „Wenn wir Metallpartikel in aufgelöstes Chitosan geben und diese trocknen lassen, können wir Metallstrukturen formen, ohne dass ein Einschmelzen nötig ist“, berichtet Fernandez.
Der einzige Haken: Die Objekte aus diesen Metall-Chitosan-Komplexe bestehen zwar aus bis zu 99,5 Prozent Metall, sind aber nicht besonders stabil. Sie können mechanischem Druck und anderen Belastungen aufgrund ihrer porösen Struktur kaum standhalten. Daher eignen sie sich nicht für tragende Elemente wie Stahlsäulen oder ähnliches. Verarbeitungsmöglichkeiten gibt es dennoch viele, wie die Forscher erklären.
Zum Beispiel kann ein Modell mit einem Metallüberzug versehen werden, wie es bei dem Bienenkopf auf dem Bild der Fall ist. Oder nichttragende Elemente in der Elektroindustrie könnten in Zukunft so hergestellt werden, da dies deutlich energieeffizienter ist als der konventionelle Weg. Der geringe Chitin-Anteil in den Endprodukten verringert nämlich deren Leitfähigkeit keineswegs und auch die Biokompatibilität bleibt bei den Metall-Bauteilen erhalten. „Diese Technologie ersetzt die traditionellen Methoden nicht, aber ermöglicht neue, komplementäre Produktionsmöglichkeiten“, betont Fernandez. Er und sein Team arbeiten nun an der nachhaltigen Produktion biologisch abbaubarer Elektroteile durch dieses Verfahren.
