Spinnenseide im Computer

  • 02. March 2011

Nummerische Modelle helfen beim Verständnis der Struktur von Spinnenseide.

Die Forschungsgruppe Molekulare Biomechanik um Frauke Gräter am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) erforscht mit rechnergestützten Methoden zusammen mit Kollegen aus Shanghai und Stuttgart, wie physikalische Kräfte mit molekularen Prozessen zusammenwirken. Ein Gegenstand ihrer Forschung sind die faszinierenden Eigenschaften von Spinnenseide, die reißfester als Stahl ist.

Die genauen physikalischen Modelle des Aufbaus von Spinnenseide lassen sich mit heutigen Rechnerleistungen nur zum Bruchteil berechnen – einzelne Bausteine zu berechnen dauert selbst auf Supercomputern einige Monate. „Wir nutzen die Ergebnisse unserer eigenen bisherigen Berechnungen und skalieren sie auf die gesamte Seidenfaser hoch, ähnlich wie bei einer Hochrechnung“, erklärt Frauke Gräter. „Dazu berechnen wir sie mit den Methoden und Werkzeugen der Ingenieure, wie sie zum Beispiel bei einem Crash-Test angewendet werden.“ Dadurch können die HITS-Forscher in ihren Computersimulationen der Frage nachgehen, wie die gesamte Seidenfaser auf mechanische Kraft regiert, wenn zum Beispiel daran gezogen wird.

Schematischer Aufbau von Spinnenseide: Die kristallinen Strukturen bestehen aus Scheiben (pink) und ungeordneten Peptidketten (blau).

Abb.: Schematischer Aufbau von Spinnenseide: Die kristallinen Strukturen bestehen aus Scheiben (pink) und ungeordneten Peptidketten (blau). (Bild: M. Cetinkaya et al., Biophys. J.)

Das Ergebnis der Studie zeigt, wie die Hauptbestandteile des Seidenproteins angeordnet sein müssen, damit die optimale Reißfestigkeit und Elastizität erreicht werden. „Die Hauptbestandteile sind zum einen kristalline, also hoch geordnete, Bausteine und zum anderen weiche, ungeordnete Einheiten“, so Gräter. Bisher nahm man an, dass diese beiden Bestandteile in der Seide zufällig angeordnet sind. Die Heidelberger Forscher konnten nun zeigen, dass die Seide erst dann wirklich reißfest wird, wenn man die Bausteine regelmäßig in Scheiben anordnet – wie die hauchdünnen Scheiben einer Salami.

Bislang gibt es keinen Kunststoff, der sich mit den mechanischen Eigenschaften der Seide messen kann. Solche Modelle könnten helfen, neue Materialien mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften zu entwickeln.

HITS / KK

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