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Windenergie Foto: Carlos / Saigon - Vietnam, Pixabay
21.02.2024

Composites: Hoffnungsträger Windenergie und Luftfahrt

Composites Germany legt Ergebnisse der 22. Markterhebung vor    

  • Kritische Bewertung der aktuellen Geschäftslage
  • Zukunftserwartungen hellen sich auf
  • Investitionsklima bleibt verhalten
  • Erwartungen an Anwendungsindustrien unterschiedlich
  • Wachstumstreiber mit leichten Verschiebungen
  • Composites-Index zeigt in verschiedene Richtungen

Zum 22. Mal hat Composites Germany aktuelle Kennzahlen zum Markt für faserverstärkte Kunststoffe erhoben. Befragt wurden alle Mitgliedsunternehmen der Trägerverbände von Composites Germany: AVK und Composites United sowie des assoziierten Partners VDMA.

Um die problemlose Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Erhebungen zu gewährleisten, wurden auch in diesem Halbjahr keine grundlegenden Änderungen bei der Befragung durchgeführt. Erhoben wurden erneut überwiegend qualitative Daten in Bezug auf die aktuelle und zukünftige Marktentwicklung.

Composites Germany legt Ergebnisse der 22. Markterhebung vor    

  • Kritische Bewertung der aktuellen Geschäftslage
  • Zukunftserwartungen hellen sich auf
  • Investitionsklima bleibt verhalten
  • Erwartungen an Anwendungsindustrien unterschiedlich
  • Wachstumstreiber mit leichten Verschiebungen
  • Composites-Index zeigt in verschiedene Richtungen

Zum 22. Mal hat Composites Germany aktuelle Kennzahlen zum Markt für faserverstärkte Kunststoffe erhoben. Befragt wurden alle Mitgliedsunternehmen der Trägerverbände von Composites Germany: AVK und Composites United sowie des assoziierten Partners VDMA.

Um die problemlose Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Erhebungen zu gewährleisten, wurden auch in diesem Halbjahr keine grundlegenden Änderungen bei der Befragung durchgeführt. Erhoben wurden erneut überwiegend qualitative Daten in Bezug auf die aktuelle und zukünftige Marktentwicklung.

Kritische Bewertung der aktuellen Geschäftslage
Nachdem bei der Bewertung der aktuellen Geschäftslage in 2021 durchweg positive Tendenzen zu erkennen waren, rutschte diese seit 2022 ab. Auch in der aktuellen Befragung ist weiterhin keine Trendumkehr festzustellen. Die Gründe für die negative Stimmung sind vielfältig und zeigten sich bereits in der letzten Erhebung.     

Derzeit scheint es der Politik nicht zu gelingen, mit entsprechenden Maßnahmen ein für die Industrie positiveres Umfeld zu schaffen. Insgesamt zeigt vor allem Deutschland, aber auch Europa derzeit ein sehr schwieriges Marktumfeld.

Haupttreiber der derzeitigen, schwierigen Situation dürften aber vor allem die nach wie vor hohen Energie- und Rohstoffpreise sein. Hinzu kommen weiterhin Probleme in einzelnen Bereichen der Logistikketten, beispielsweise auf einzelnen Handels-/Containerruten sowie ein zurückhaltendes Konsumklima. Eine Verlangsamung des Welthandels und Unsicherheiten im politischen Bereich befeuern derzeit die negative Stimmung im Markt. Trotz steigender Zulassungszahlen ist auch die Automobilindustrie als wichtigster Anwendungsbereich für Composites noch nicht auf ihr altes Volumen zurückgekehrt. Die Bauindustrie als zweiter zentraler Anwendungsbereich steckt derzeit in einer Krise. Zwar sind die Auftragsbücher noch gut gefüllt, aber Neuaufträge bleiben vielfach aus. Hohe Zinsen und Materialkosten bei hohen Lebenshaltungskosten belasten vor allem den privaten Bau stark, aber auch der öffentliche Bau kann die selbst gesteckten Ziele momentan nicht erreichen. Laut dem ZDB (Zentralverband Deutsches Baugewerbe) bleiben die Prognosen in diesem wichtigen Bereich düster: „Der Rückgang der Baukonjunktur setzt sich weiter fort. Der Umsatz wird in diesem Jahr real um 5,3 % zurückgehen und im kommenden Jahr gehen wir von weiteren minus 3 % aus. Verantwortlich für das Minus bleibt der Wohnungsbau, der in diesem Jahr real um 11 % einbricht und 2024 mit -13 % seinen Sinkflug fortsetzt.“

Nicht nur die Bewertung der generellen Geschäftslage bleibt pessimistisch. Auch die Situation der eigenen Unternehmen wird weiterhin kritisch bewertet. Vor allem für Deutschland zeigt sich ein negatives Bild. Fast 50 % der Befragten bewerten die aktuelle Geschäftslage in Deutschland kritisch. Etwas positiver fällt die Sichtweise auf das weltweite Geschäft und Europa aus. Hier bewerten „nur“ 40 % bzw. 35 % der Befragten die Situation eher negativ.

Zukunftserwartungen hellen sich auf
Trotz der generell eher verhaltenen Bewertung der Geschäftslage scheinen viele der Befragten, zumindest in Europa, von einer Besserung der Stimmung überzeugt zu sein. Befragt nach ihrer Einschätzung zur zukünftigen generellen Geschäftsentwicklung, zeigen sich die Werte für Europa und auch die Welt optimistischer als bei der letzten Befragung. Für Deutschland erwarten die Teilnehmer der Befragung derzeit keine Verbesserung der Situation.

Auch für das eigene Unternehmen zeigen sich die Befragten hinsichtlich ihrer Zukunftserwartungen für Europa und den Weltmarkt optimistischer:
     
Die Teilnehmenden gehen anscheinend von einer moderaten kurz- bis mittelfristigen Erholung der Weltwirtschaft aus. Die Prognosen sind optimistischer als die Bewertung der aktuellen Situation. Auffällig ist, dass die Sichtweise auf die Region Deutschland im Verhältnis zu Europa und der weltweiten Konjunktur kritischer ist. 28 % der Befragten erwarten eine negative Entwicklung der generellen Marktsituation in Deutschland. Nur 13 % erwarten eine Verbesserung der aktuellen Situation. Für Europa und auch die Welt zeigen sich bessere Kennwerte.
          
Investitionsklima bleibt verhalten
Die aktuell eher zurückhaltende Bewertung der wirtschaftlichen Situation wirkt sich auch weiterhin auf das Investitionsklima aus.

Nachdem in der letzten Befragung noch 22% der Teilnehmenden von einem Anstieg bei der Personalkapazität ausgegangen waren (Befragung 1/2023 = 40 %), liegt dieser Wert aktuell nur noch bei 18 %. Demgegenüber stehen 18 %, die sogar von einem Rückgang im Bereich Personal ausgehen.

Auch der Anteil der Befragten, die Maschineninvestitionen planen, ist rückläufig. Waren bei der letzten Befragung noch 56 % von entsprechenden Investitionen ausgegangen, so sinkt dieser Wert nun auf 46 % ab.


Erwartungen an Anwendungsindustrien unterschiedlich
Der Composites Markt ist durch eine starke Heterogenität sowohl material- aber auch anwendungsseitig gekennzeichnet. In der Befragung werden die Teilnehmenden gebeten, ihre Einschätzung hinsichtlich der Marktentwicklung unterschiedlicher Kernbereiche zu geben.

Die Erwartungen zeigen sich äußerst verschieden. Die beiden wichtigsten Anwendungsbereiche sind der Mobilitäts- und der Bau-/Infrastruktursektor. Beide befinden sich derzeit in starken Umbrüchen bzw. sind von Rückgängen betroffen, was sich auch in der Befragung deutlich zeigt. Wachstum wird vor allem im Bereich Windenergie und Luftfahrt erwartet.

Wachstumstreiber mit leichten Verschiebungen
Bei den Werkstoffen zeigt sich ein Wechsel hinsichtlich der Einschätzungen der Wachstumstreiber. Wurde von den Befragten in den letzten 9 Erhebungen stets GFK als Material genannt, aus dessen Umfeld die wesentlichen Wachstumsimpulse für den Composites-Bereich zu erwarten sind, so werden die wesentlichen Impulse mittlerweile erneut von CFK oder materialübergreifend vermutet.

Regional kommt es zu einer leichten Verschiebung. Deutschland wird weniger stark als Wachstumstreiber gesehen. Demgegenüber werden Europa (ohne Deutschland) und Asien deutlich mehr genannt.

Composites-Index zeigt in verschiedene Richtungen
Die zahlreichen negativen Einflüsse der letzten Zeit zeigen sich weiterhin auch im Gesamt-Composites-Index. Dieser gibt vor allem bei der Betrachtung der momentanen Geschäftslage weiterhin nach. Demgegenüber steht eine leichte Aufhellung hinsichtlich der Erwartungen an die zukünftige Marktentwicklung, welche jedoch auf niedrigem Niveau bleibt.
 
Die gesamte verarbeitende Composites-Menge in Europa in 2022 war bereits rückläufig, auch für 2023 muss weiterer Rückgang erwartet werden. Dieser dürfte erneut bei etwa 5% liegen. Es bleibt abzuwarten, ob es gelingen wird, der negativen Entwicklung gegenzusteuern. Hier wäre ein zielgerichtetes Eingreifen, auch der politischen Entscheidungsträger, wünschenswert. Dies kann aber ohne die Industrie/Wirtschaft nicht gelingen. Nur gemeinsam wird es möglich sein, den Wirtschafts-/Industriestandort Deutschland zu erhalten und erneut zu stärken. Für Composites als Materialgruppe generell zeigen sich, aufgrund des speziellen Eigenschaftsportfolios, nach wie vor sehr gute Chancen zum Ausbau der Marktposition in neuen, aber auch bestehenden Märkten. Die Abhängigkeit von gesamtwirtschaftlichen Entwicklungen aber bleibt bestehen. Es gilt nun über Innovationen neue Marktfelder zu erschließen, Chancen konsequent zu nutzen und gemeinsam daran zu arbeiten, Composites weiter in bestehenden Märkten zu implementieren. Dies kann gemeinsam oftmals besser gelingen als alleine. Composites Germany bietet mit seinem hervorragenden Netzwerk vielfältige Möglichkeiten.

Die nächste Composites-Markterhebung erscheint im Juli 2024.

Quelle:

Composites Germany

Tragbare Roboter für Parkinson-Kranke Bild: Tom Claes, unsplash
19.02.2024

Tragbare Roboter für Parkinson-Kranke

Freezing, plötzliche Blockaden bei Bewegungsabläufen, ist eines der häufigsten und belastendsten Symptome der Parkinson-Krankheit, einer neurodegenerativen Erkrankung, von der weltweit mehr als 9 Millionen Menschen betroffen sind. Wenn Menschen mit Parkinson „einfrieren“, verlieren sie plötzlich die Fähigkeit, ihre Füße zu bewegen, oft mitten im Schritt, was zu einer Reihe von stakkatoartigen, stotternden Schritten führt, die immer kürzer werden, bis die Person schließlich ganz stehen bleibt. Diese Episoden sind eine der Hauptursachen für Stürze bei Menschen mit Parkinson.

Heutzutage wird Freezing mit einer Reihe von pharmakologischen, chirurgischen oder Verhaltenstherapien behandelt, von denen keine besonders wirksam ist. Was wäre, wenn es einen Weg gäbe, Freezing gänzlich zu verhindern?

Freezing, plötzliche Blockaden bei Bewegungsabläufen, ist eines der häufigsten und belastendsten Symptome der Parkinson-Krankheit, einer neurodegenerativen Erkrankung, von der weltweit mehr als 9 Millionen Menschen betroffen sind. Wenn Menschen mit Parkinson „einfrieren“, verlieren sie plötzlich die Fähigkeit, ihre Füße zu bewegen, oft mitten im Schritt, was zu einer Reihe von stakkatoartigen, stotternden Schritten führt, die immer kürzer werden, bis die Person schließlich ganz stehen bleibt. Diese Episoden sind eine der Hauptursachen für Stürze bei Menschen mit Parkinson.

Heutzutage wird Freezing mit einer Reihe von pharmakologischen, chirurgischen oder Verhaltenstherapien behandelt, von denen keine besonders wirksam ist. Was wäre, wenn es einen Weg gäbe, Freezing gänzlich zu verhindern?

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und des Boston University Sargent College of Health & Rehabilitation Sciences haben einen weichen, tragbaren Roboter eingesetzt, der einem Parkinson-Patienten hilft, ohne Freezing zu gehen. Das Roboterkleidungsstück, das um Hüfte und Oberschenkel getragen wird, gibt beim Schwingen des Beins einen sanften Druck auf die Hüfte und hilft dem Patienten, einen längeren Schritt zu machen.

Mit dem Hilfsmittel konnte das Freezing der Teilnehmer beim Gehen in geschlossenen Räumen vollständig beseitigt werden, so dass sie schneller und weiter gehen konnten als ohne die Hilfe des Kleidungsstückes.

„Wir stellten fest, dass schon eine geringe mechanische Unterstützung durch unsere weiche Roboterkleidung eine Sofortwirkung hatte und das Gehen der Versuchspersonen unter verschiedenen Bedingungen nachhaltig verbesserte“, so Conor Walsh, Paul A. Maeder Professor für Ingenieur- und angewandte Wissenschaften am SEAS und Mitautor der Studie.

Die Forschung zeigt das Potenzial der Soft-Robotik zur Behandlung dieses frustrierenden und potenziell gefährlichen Symptoms der Parkinson-Erkrankung auf und könnte es Menschen, die mit dieser Krankheit leben, ermöglichen, nicht nur ihre Mobilität, sondern auch ihre Unabhängigkeit wiederzuerlangen.

Seit über einem Jahrzehnt entwickelt das Biodesign Lab von Walsh am SEAS unterstützende und rehabilitative Robotertechnologien zur Verbesserung der Mobilität von Menschen nach einem Schlaganfall, mit ALS oder anderen Krankheiten, die die Mobilität beeinträchtigen. Ein Teil dieser Technologie, insbesondere ein Exosuit für das Gehtraining nach einem Schlaganfall, wurde vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, and Harvard’s Office of Technology Development unterstützt, und das Harvard’s Office of Technology Development  koordinierte eine Lizenzvereinbarung mit ReWalk Robotics zur Vermarktung der Technologie.

Im Jahr 2022 erhielten SEAS und Sargent College einen Zuschuss von der Massachusetts Technology Collaborative, um die Entwicklung und Umsetzung von Robotik und Wearable Technologies der nächsten Generation zu unterstützen. Die Forschung ist im Move Lab angesiedelt, dessen Aufgabe es ist, Fortschritte bei  der Verbesserung der menschlichen Leistungsfähigkeit zu unterstützen, indem es den Raum für die Zusammenarbeit, die Finanzierung, die F&E-Infrastruktur und die Erfahrung bereitstellt, die notwendig sind, um vielversprechende Forschung in ausgereifte Technologien zu verwandeln, die durch die Zusammenarbeit mit Industriepartnern umgesetzt werden können. Diese Forschung ist aus dieser Partnerschaft hervorgegangen.

„Der Einsatz weicher, tragbarer Roboter zur Verhinderung des Freezing beim Gangbild von Parkinson-Patienten erforderte eine Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Rehabilitationswissenschaftlern, Physiotherapeuten, Biomechanikern und Bekleidungsdesignern", so Walsh, dessen Team eng mit dem von Terry Ellis, Professor und Lehrstuhlinhaber für Physiotherapie sowie Leiter des Zentrums für Neurorehabilitation an der Universität Boston, zusammenarbeitete.

Das Team arbeitete sechs Monate lang mit einem 73-jährigen Mann, der an Parkinson erkrankt war und trotz chirurgischer und medikamentöser Behandlung mehr als zehnmal am Tag unter erheblichem und behinderndem Freezing litt, was immer wieder zu Stürzen führten. Diese Episoden hinderten ihn daran, sich in seiner Nachbarschaft zu bewegen, und zwangen ihn, sich draußen mit einem Elektromobil fortzubewegen.

In früheren Forschungsarbeiten wiesen Walsh und sein Team mithilfe der Human-in-the-Loop-Optimierung nach, dass ein weiches, am Körper zu tragendes Gerät die Hüftbeugung verstärken und den Schwung des Beins nach vorne unterstützen kann, um den Energieverbrauch beim Gehen bei gesunden Menschen effizient zu senken.

In diesem Fall verwendeten die Forscher den gleichen Ansatz, um das Freezing zu bekämpfen. Das tragbare Gerät verwendet kabelgesteuerte Aktoren und Sensoren, die um Taille und Oberschenkel getragen werden. Anhand der von den Sensoren erfassten Bewegungsdaten schätzen Algorithmen die Phase des Gangs und erzeugen im Zusammenspiel mit der Muskelbewegung Unterstützung.

Die Wirkung trat sofort ein. Ohne spezielles Training war der Patient in der Lage, ohne Freezing in geschlossenen Räumen und mit nur gelegentlichen Episoden im Freien zu gehen. Er war ebenfalls in der Lage, ohne Stocken zu gehen und zu sprechen, was ohne das Gerät kaum möglich war.

„Unser Team war sehr gespannt darauf, wie sich die Technologie auf das Gangbild der Teilnehmer auswirkt“, sagt Jinsoo Kim, ehemaliger Doktorand am SEAS und Mitautor der Studie.

Während der Studienbesuche erzählte der Teilnehmer den Forschern: „Der Anzug hilft mir, längere Schritte zu machen, wenn er nicht aktiv ist, merke ich, dass ich meine Füße viel mehr nachziehe. Er hat mir wirklich geholfen, und ich empfinde ihn als einen positiven Schritt nach vorn. Er könnte mich darin unterstützen, länger zu gehen und meine Lebensqualität zu erhalten."

„Unsere Studienteilnehmer, die freiwillig ihre Zeit opfern, sind echte Partner“, so Walsh. „Da die Mobilität schwierig ist, war es für diese Person eine echte Herausforderung, überhaupt ins Labor zu kommen, aber wir haben so sehr von ihrer Perspektive und ihrem Feedback profitiert.“

Das Gerät könnte auch eingesetzt werden, um die Mechanismen des Freezing besser zu verstehen, die nur unzureichend erforscht sind.

„Da wir das Freezing nicht wirklich verstehen, wissen wir nicht, warum dieser Ansatz so gut funktioniert“, so Ellis. Aber diese Arbeit deutet auf die potenziellen Vorteile einer "Bottom-up"-Lösung statt einer "Top-down"-Lösung zur Behandlung von Gangfehlern hin. Wir sehen, dass die Wiederherstellung einer fast normalen Biomechanik die periphere Dynamik des Gangs verändert und die zentrale Verarbeitung der Gangkontrolle beeinflussen kann.“

Das Team arbeitete sechs Monate lang mit einem 73-jährigen Mann, der an Parkinson erkrankt war und trotz chirurgischer und medikamentöser Behandlung mehr als zehnmal am Tag unter erheblichem und behinderndem Freezing litt, was immer wieder zu Stürzen führten. Diese Episoden hinderten ihn daran, sich in seiner Nachbarschaft zu bewegen, und zwangen ihn, sich draußen mit einem Elektromobil fortzubewegen.

In früheren Forschungsarbeiten wiesen Walsh und sein Team mithilfe der Human-in-the-Loop-Optimierung nach, dass ein weiches, am Körper zu tragendes Gerät die Hüftbeugung verstärken und den Schwung des Beins nach vorne unterstützen kann, um den Energieverbrauch beim Gehen bei gesunden Menschen effizient zu senken.

In diesem Fall verwendeten die Forscher den gleichen Ansatz, um das Freezing zu bekämpfen. Das tragbare Gerät verwendet kabelgesteuerte Aktoren und Sensoren, die um Taille und Oberschenkel getragen werden. Anhand der von den Sensoren erfassten Bewegungsdaten schätzen Algorithmen die Phase des Gangs und erzeugen im Zusammenspiel mit der Muskelbewegung Unterstützung.

Die Wirkung trat sofort ein. Ohne spezielles Training war der Patient in der Lage, ohne Freezing in geschlossenen Räumen und mit nur gelegentlichen Episoden im Freien zu gehen. Er war ebenfalls in der Lage, ohne Stocken zu gehen und zu sprechen, was ohne das Gerät kaum möglich war.

„Unser Team war sehr gespannt darauf, wie sich die Technologie auf das Gangbild der Teilnehmer auswirkt“, sagt Jinsoo Kim, ehemaliger Doktorand am SEAS und Mitautor der Studie.

Während der Studienbesuche erzählte der Teilnehmer den Forschern: „Der Anzug hilft mir, längere Schritte zu machen, wenn er nicht aktiv ist, merke ich, dass ich meine Füße viel mehr nachziehe. Er hat mir wirklich geholfen, und ich empfinde ihn als einen positiven Schritt nach vorn. Er könnte mich darin unterstützen, länger zu gehen und meine Lebensqualität zu erhalten."

„Unsere Studienteilnehmer, die freiwillig ihre Zeit opfern, sind echte Partner“, so Walsh. „Da die Mobilität schwierig ist, war es für diese Person eine echte Herausforderung, überhaupt ins Labor zu kommen, aber wir haben so sehr von ihrer Perspektive und ihrem Feedback profitiert.“

Das Gerät könnte auch eingesetzt werden, um die Mechanismen des Freezing besser zu verstehen, die nur unzureichend erforscht sind.

„Da wir das Freezing nicht wirklich verstehen, wissen wir nicht, warum dieser Ansatz so gut funktioniert“, so Ellis. Aber diese Arbeit deutet auf die potenziellen Vorteile einer "Bottom-up"-Lösung statt einer "Top-down"-Lösung zur Behandlung von Gangfehlern hin. Wir sehen, dass die Wiederherstellung einer fast normalen Biomechanik die periphere Dynamik des Gangs verändert und die zentrale Verarbeitung der Gangkontrolle beeinflussen kann.“

Die Studie wurde von Jinsoo Kim, Franchino Porciuncula, Hee Doo Yang, Nicholas Wendel, Teresa Baker und Andrew Chin mitverfasst. Asa Eckert-Erdheim und Dorothy Orzel trugen ebenfalls zur Entwicklung der Technologie bei, ebenso wie Ada Huang, Sarah Sullivan leitete die klinische Forschung. Das Projekt wurde von der National Science Foundation unter dem Zuschuss CMMI-1925085, von den National Institutes of Health unter dem Zuschuss NIH U01 TR002775 und von der Massachusetts Technology Collaborative, Collaborative Research and Development Matching Grant unterstützt.

Quelle:

Die Forschungsergebnisse erschienen in Nature Medicine.
Quelle: Leah Burrows
Harvard John A. Paulson. School of Engineering and Applied Sciences

  Forschende um Bernd Nowack haben die Freisetzung von Nanopartikeln beim Waschen von Polyestertextilien untersucht. Bild: Empa
14.02.2024

Freisetzung von Oligomeren aus Polyester-Textilien

Wenn Nanoplastik keiner ist ... Textilien aus synthetischen Fasern geben beim Waschen Mikro- und Nanoplastik ab. Empa-Forschende konnten nun zeigen, dass ein Teil des vermeintlichen Nanoplastiks gar nicht aus Plastikpartikeln besteht, sondern aus wasserunlöslichen Oligomeren. Welche Auswirkungen sie auf Mensch und Umwelt haben, ist noch kaum erforscht.

Gebrauchsgegenstände aus Kunststoff und Kleider aus Kunstfasern setzen Mikroplastik frei: Partikel unter fünf Millimeter Größe, die unbemerkt in die Umwelt gelangen können. Ein kleiner Teil dieser Partikel befindet sich sogar im Nanometerbereich. Solcher Nanoplastik ist Gegenstand intensiver Forschung, denn aufgrund ihrer geringen Größe können Nanoplastik-Teilchen in den menschlichen Körper aufgenommen werden – über ihre potenzielle Toxizität ist jedoch noch wenig bekannt.

Wenn Nanoplastik keiner ist ... Textilien aus synthetischen Fasern geben beim Waschen Mikro- und Nanoplastik ab. Empa-Forschende konnten nun zeigen, dass ein Teil des vermeintlichen Nanoplastiks gar nicht aus Plastikpartikeln besteht, sondern aus wasserunlöslichen Oligomeren. Welche Auswirkungen sie auf Mensch und Umwelt haben, ist noch kaum erforscht.

Gebrauchsgegenstände aus Kunststoff und Kleider aus Kunstfasern setzen Mikroplastik frei: Partikel unter fünf Millimeter Größe, die unbemerkt in die Umwelt gelangen können. Ein kleiner Teil dieser Partikel befindet sich sogar im Nanometerbereich. Solcher Nanoplastik ist Gegenstand intensiver Forschung, denn aufgrund ihrer geringen Größe können Nanoplastik-Teilchen in den menschlichen Körper aufgenommen werden – über ihre potenzielle Toxizität ist jedoch noch wenig bekannt.

Empa-Forschende aus der Gruppe von Bernd Nowack aus dem Labor „Technologie und Gesellschaft" haben nun gemeinsam mit Kollegen aus China Nanopartikel aus Textilien unter die Lupe genommen. Tong Yang, Erstautor der Studie, hat die Untersuchungen während seines Doktorats an der Empa durchgeführt. Bereits in früheren Studien konnten die Empa-Forscher zeigen, dass beim Waschen von Polyester Mikro- und Nanoplastik freigesetzt wird. Eine genaue Untersuchung der freigesetzten Nanopartikel hat nun ergeben, dass nicht alles, was auf den ersten Blich nach Nanoplastik aussieht, auch tatsächlich Nanoplastik ist.

Zu einem beträchtlichen Teil handelte es sich tatsächlich nicht um Nanoplastik, sondern um Klumpen von sogenannten Oligomeren, also kleinen bis mittelgroßen Moleküle, die eine Zwischenstufe zwischen den langen verketteten Polymeren und ihren Einzelbausteinen, den Monomeren, darstellen. Diese Moleküle sind noch kleiner als Nanoplastik-Partikel. Auch über ihre Toxizität ist kaum etwas bekannt. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden in der Zeitschrift „Nature Water“.

Für die Studie haben die Forschenden zwölf unterschiedliche Polyesterstoffe untersucht, darunter etwa Mikrofaser, Satin und Jersey. Die Stoffproben wurden bis zu vier Mal gewaschen und die dabei freigesetzten Nanopartikel analysiert und charakterisiert. Keine einfache Aufgabe, sagt Bernd Nowack. „Plastik, vor allem Nanoplastik, ist überall, auch an unseren Geräten und Utensilien“, so der Wissenschaftler. „Bei Nanoplastik-Messungen müssen wir dieses 'Hintergrundrauschen' berücksichtigen.“

Großer Anteil löslicher Partikel
Um Nanoplastik von Oligomerklumpen zu unterscheiden, nutzten die Forschenden ein Ethanolbad. Plastikstückchen, egal wie klein, lösen sich darin nicht auf, Ansammlungen von Oligomeren dagegen schon. Der Befund: Rund ein Drittel bis knapp 90 Prozent der beim Waschen freigesetzten Nanopartikel ließen sich in Ethanol auflösen. „Dadurch konnten wir zeigen, dass nicht alles, was im ersten Moment nach Nanoplastik aussieht, auch Nanoplastik ist“, sagt Nowack.

Ob die Freisetzung von „nanopartikulären“ Oligomeren beim Waschen von Textilien negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt hat, ist noch nicht klar. „Bei anderen Kunststoffen haben Studien bereits gezeigt, dass nanopartikuläre Oligomere toxischer sind als Nanoplastik“, sagt Nowack. „Das ist ein Hinweis, dass man das genauer untersuchen sollte.“ Die Forschenden konnten jedoch feststellen, dass die Beschaffenheit des Textils sowie die Schnittmethode – Schere oder Laser – keinen großen Einfluss auf die Menge der freigesetzten Partikel haben.

Auch der Mechanismus der Freisetzung ist noch nicht geklärt – weder für Nanoplastik noch für die Oligomerpartikel. Die erfreuliche Nachricht ist, dass die Menge der freigesetzten Partikel mit wiederholten Waschgängen stark abnimmt. Denkbar wäre, dass die Oligomerpartikel bei der Herstellung des Textils entstehen oder sich durch chemische Prozesse bei der Lagerung von den Fasern abspalten. Auch hierzu sind weitere Studien notwendig.

Nowack und sein Team widmen sich jedoch vorerst wieder größeren Partikeln: In einem nächsten Projekt wollen sie untersuchen, welche Fasern beim Waschen von Textilien aus nachwachsenden Rohstoffen freigesetzt werden und ob diese die Umwelt und die Gesundheit belasten könnten. „Halbsynthetische Textilien wie Viskose oder Lyocell werden als Ersatz für Polyester angepriesen“, sagt Nowack. „Aber wir wissen noch gar nicht, ob sie wirklich besser sind, wenn es um die Freisetzung von Fasern geht.“

 

Quelle:

Empa

Bakterien, die Kunststoff essen und vielseitige Spinnenseide produzieren Foto: Kareni, Pixabay
05.02.2024

Plastikfressende Bakterien, die Spinnenseide produzieren

Wissenschaftler haben zum ersten Mal Bakterien eingesetzt, um Polyethylenabfälle „upzucyceln“: Mach Platz Spider-Man: Wissenschaftler des Rensselaer Polytechnic Institute haben einen Bakterienstamm entwickelt, der Plastikabfälle in biologisch abbaubare Spinnenseide mit vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten verwandeln kann.

In ihrer neuen Studie haben Wissenschaftler zum ersten Mal Bakterien eingesetzt, um Polyethylen-Kunststoff - wie er in vielen Einwegartikeln verwendet wird - in ein hochwertiges Proteinprodukt umzuwandeln.

Dieses Produkt, das die Wissenschaftler aufgrund seiner Ähnlichkeit mit der Seide, mit der Spinnen ihre Netze spinnen, als "bio-inspirierte Spinnenseide" bezeichnen, kann in Textilien, Kosmetika und sogar in der Medizin eingesetzt werden.

Wissenschaftler haben zum ersten Mal Bakterien eingesetzt, um Polyethylenabfälle „upzucyceln“: Mach Platz Spider-Man: Wissenschaftler des Rensselaer Polytechnic Institute haben einen Bakterienstamm entwickelt, der Plastikabfälle in biologisch abbaubare Spinnenseide mit vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten verwandeln kann.

In ihrer neuen Studie haben Wissenschaftler zum ersten Mal Bakterien eingesetzt, um Polyethylen-Kunststoff - wie er in vielen Einwegartikeln verwendet wird - in ein hochwertiges Proteinprodukt umzuwandeln.

Dieses Produkt, das die Wissenschaftler aufgrund seiner Ähnlichkeit mit der Seide, mit der Spinnen ihre Netze spinnen, als "bio-inspirierte Spinnenseide" bezeichnen, kann in Textilien, Kosmetika und sogar in der Medizin eingesetzt werden.

„Spinnenseide ist das Kevlar der Natur", sagte Helen Zha, Ph.D., Assistenzprofessorin für Chemie- und Bioingenieurwesen und eine der RPI-Forschenden, die das Projekt leiteten. „Sie kann unter Spannung fast so stark sein wie Stahl. Es hat jedoch eine sechsmal geringere Dichte als Stahl und ist daher sehr leicht. Als Biokunststoff ist es dehnbar, zäh, ungiftig und biologisch abbaubar.“

All diese Eigenschaften machen es zu einem großartigen Material für eine Zukunft, in der erneuerbare Ressourcen und die Vermeidung von anhaltender Plastikverschmutzung die Norm sind, so Zha.

Polyethylen-Kunststoffe, die in Produkten wie Plastiktüten, Wasserflaschen und Lebensmittelverpackungen enthalten sind, tragen weltweit am stärksten zur Plastikverschmutzung bei und brauchen bis zu 1.000 Jahre, um sich natürlich abzubauen. Nur ein kleiner Teil des Polyethylen-Kunststoffs wird recycelt, so dass die in der Studie verwendeten Bakterien dazu beitragen könnten, einen Teil des verbleibenden Abfalls „upzucyceln“.

Pseudomonas aeruginosa, das in der Studie verwendete Bakterium, kann auf natürliche Weise Polyethylen als Nahrungsquelle aufnehmen. Das RPI-Team stellte sich der Herausforderung, dieses Bakterium so zu steuern, dass es die Kohlenstoffatome des Polyethylens in ein genetisch kodiertes Seidenprotein umwandelt. Überraschenderweise stellten sie fest, dass ihre neu entwickelten Bakterien das Seidenprotein mit einer Effizienz herstellen konnten, die mit der einiger, üblicherweise in der Bioproduktion verwendeten Bakterienstämmen vergleichbar ist. Der biologische Prozess, der dieser Innovation zugrunde liegt, ist etwas, das die Menschen seit Jahrtausenden nutzen.

„Im Grunde genommen fermentieren die Bakterien den Kunststoff. Die Fermentierung wird zur Herstellung und Konservierung aller Arten von Lebensmitteln wie Käse, Brot und Wein verwendet, und in der biochemischen Industrie wird sie zur Herstellung von Antibiotika, Aminosäuren und organischen Säuren genutzt“, sagte Mattheos Koffas, Ph.D., Dorothy and Fred Chau ʼ71 Career Development Constellation Professor in Biocatalysis and Metabolic Engineering und der andere Wissenschaftler, der das Projekt leitet und zusammen mit Zha Mitglied des Center for Biotechnology and Interdisciplinary Studies in Rensselaer ist.

Damit die Bakterien Polyethylen fermentieren können, muss der Kunststoff zunächst „vorverdaut“ werden, so Zha. Genau wie wir Menschen unsere Nahrung in kleinere Stücke schneiden und kauen müssen, bevor unser Körper sie verwerten kann, haben die Bakterien Schwierigkeiten, die langen Molekülketten oder Polymere zu essen, aus denen Polyethylen besteht.

In der Studie arbeiteten Zha und Koffas mit Wissenschaftlern des Argonne National Laboratory zusammen, die den Kunststoff durch Erhitzen unter Druck depolymerisierten, wodurch eine weiche, wachsartige Substanz entstand. Anschließend trug das Team eine Schicht des aus dem Kunststoff gewonnenen Wachses auf die Böden der Kolben auf, die als Nährstoffquelle für die Bakterienkultur dienten. Dies unterscheidet sich von der üblichen Fermentation, bei der Zucker als Nährstoffquelle dient.

„Es ist, als würden wir die Bakterien nicht mit Kuchen füttern, sondern mit den Kerzen auf dem Kuchen“, so Zha.

Als dann der Inhalt der Kolben auf einer Wärmeplatte sanft umgewälzt wurde, gingen die Bakterien an die Arbeit. Nach 72 Stunden ließen die Wissenschaftler die Bakterien aus der flüssigen Kultur abtropfen, reinigten das Seidenprotein und gefriergetrockneten es. In diesem Stadium könnte das Protein, das zerrissenen Wattebällchen ähnelte, potenziell zu Garn gesponnen oder in andere nützliche Formen weiterverarbeitet werden.

„Das wirklich Spannende an diesem Prozess ist, dass er im Gegensatz zur heutigen Kunststoffproduktion wenig Energie verbraucht und keine giftigen Chemikalien benötigt“, so Zha. „Die besten Chemiker der Welt könnten Polyethylen nicht in Spinnenseide umwandeln, aber diese Bakterien können es. Wir machen uns wirklich zunutze, was die Natur entwickelt hat, um die Herstellung für uns zu übernehmen.“

Bevor jedoch Produkte aus recycelter Spinnenseide zur Realität werden, müssen die Wissenschaftler zunächst Wege finden, um das Seidenprotein effizienter herzustellen.
 
„Diese Studie zeigt, dass wir diese Bakterien verwenden können, um Plastik in Spinnenseide umzuwandeln. In unserer künftigen Arbeit werden wir untersuchen, ob wir die Bakterien oder andere Aspekte des Prozesses optimieren können, um die Produktion zu steigern“, sagte Koffas.

„Die Professoren Zha und Koffas repräsentieren die neue Generation von Chemie- und Bioingenieuren, die biologisches Engineering mit Materialwissenschaften zur Herstellung umweltfreundlicher Produkte verbinden. Ihre Arbeit ist ein neuartiger Ansatz zum Schutz der Umwelt und zur Verringerung unserer Abhängigkeit von nicht erneuerbaren Ressourcen“, sagte Shekhar Garde, Ph.D., Dekan der RPI School of Engineering.

Die Studie, die vom Erstautor Alexander Connor, der 2023 am RPI promoviert, und den Co-Autoren Jessica Lamb und Massimiliano Delferro vom Argonne National Laboratory durchgeführt wurde, wurde in der Zeitschrift „Microbial Cell Factories“ veröffentlicht.

Quelle:

Samantha Murray, Rensselaer

Foto: TheDigitalArtist, Pixabay
31.01.2024

Vliesstoff-Nanokomposit-Folien für tragbare Elektronik, Fahrzeuge und Gebäude

  • Kleine, leichte, dehnbare und kosteneffiziente thermoelektrische Komponenten bedeuten einen Durchbruch in der nachhaltigen Energieentwicklung und Abwärme-Rückgewinnung.
  • Flexible Energiegewinnungssysteme der nächsten Generation werden ihre Effizienz der Integration von Graphen-Nanoröhren verdanken. Sie bieten einfache Verarbeitbarkeit, stabile thermoelektrische Leistung, Flexibilität und robuste mechanische Eigenschaften.
  • Nanokomposite haben ein hohes Marktpotenzial bei der Herstellung von Generatoren für medizinische und intelligente Wearables, Fahrzeugsensoren und effizientes Gebäudemanagement.

Etwa die Hälfte der weltweit nutzbaren Energie wird aufgrund der begrenzten Effizienz von Energieumwandlungsgeräten als Wärme verschwendet. So geht zum Beispiel ein Drittel der Energie eines Fahrzeugs als Abwärme in den Abgasen verloren. Gleichzeitig enthalten die Fahrzeuge immer mehr elektronische Geräte, die elektrische Energie benötigen.

  • Kleine, leichte, dehnbare und kosteneffiziente thermoelektrische Komponenten bedeuten einen Durchbruch in der nachhaltigen Energieentwicklung und Abwärme-Rückgewinnung.
  • Flexible Energiegewinnungssysteme der nächsten Generation werden ihre Effizienz der Integration von Graphen-Nanoröhren verdanken. Sie bieten einfache Verarbeitbarkeit, stabile thermoelektrische Leistung, Flexibilität und robuste mechanische Eigenschaften.
  • Nanokomposite haben ein hohes Marktpotenzial bei der Herstellung von Generatoren für medizinische und intelligente Wearables, Fahrzeugsensoren und effizientes Gebäudemanagement.

Etwa die Hälfte der weltweit nutzbaren Energie wird aufgrund der begrenzten Effizienz von Energieumwandlungsgeräten als Wärme verschwendet. So geht zum Beispiel ein Drittel der Energie eines Fahrzeugs als Abwärme in den Abgasen verloren. Gleichzeitig enthalten die Fahrzeuge immer mehr elektronische Geräte, die elektrische Energie benötigen. Ein weiteres Beispiel sind leichte, am Körper zu tragende Sensoren für die Gesundheits- und Umweltüberwachung, die ebenfalls zunehmend gefragt sind. Die Möglichkeit, Abwärme oder Sonnenenergie in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln, hat sich als Chance für ein nachhaltigeres Energiemanagement erwiesen. Praktische thermoelektrische Generatoren (TEGs) haben derzeit nur einen geringen Wirkungsgrad und sind relativ groß und schwer. Sie bestehen aus teuren oder korrosionsanfälligen Materialien, sind starr und enthalten oft giftige Elemente.
 
Kürzlich entwickelte, leicht zu verarbeitende, selbsttragende und flexible Vliesstoff-Nanokomposit-Folien zeigen hervorragende thermoelektrische Eigenschaften in Kombination mit guter mechanischer Robustheit. In einem aktuellen Artikel in ACS Applied Nano Materials wird erläutert, wie die Forscher ein thermoplastisches Polyurethan (TPU) mit TUBALLTM Graphen-Nanoröhrchen kombinieren, um ein Nanokompositmaterial herzustellen, das elektrische Energie aus Abwärmequellen gewinnen kann.
 
Dank ihres hohen Aspektverhältnisses und ihrer spezifischen Oberfläche verleihen Graphen-Nanoröhrchen dem TPU elektrische Leitfähigkeit, wodurch eine hohe thermoelektrische Leistung bei gleichbleibenden oder verbesserten mechanischen Eigenschaften erreicht werden kann. "Steifigkeit, Festigkeit und Zugzähigkeit wurden im Vergleich zu Bucky Papers um das 7-, 25- bzw. 250-fache verbessert. Die Nanokompositfolie zeigt einen niedrigen elektrischen Widerstand von 7,5*10-3 Ohm×cm, einen hohen E-Modul von 1,8 GPa, eine Bruchfestigkeit von 80 MPa und eine Bruchdehnung von 41%", sagt Dr. Beate Krause, Gruppenleiterin am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V.

Da es sich bei Graphen-Nanoröhren um ein grundlegend neues Material handelt, bietet sich die Möglichkeit, die derzeitigen TEG-Materialien durch umweltfreundlichere zu ersetzen. Die von solch thermoelektrischen Generatoren betriebenen Sensoren könnten als "intelligente Haut" für Fahrzeuge und Gebäude fungieren, indem sie Sensorfunktionen zur Leistungsüberwachung und Vermeidung potenzieller Probleme bereitstellen, bevor diese zu Ausfällen führen, und so eine optimale Betriebseffizienz gewährleisten. In Flugzeugen könnten drahtlose Nanokomposite als eigenständige Sensoren zur Überwachung von Enteisungssystemen dienen, wodurch ein umfangreiches Netz von elektrischen Kabeln überflüssig würde. Die hohe Flexibilität, Festigkeit und Zuverlässigkeit der mit Graphen-Nanoröhrchen ausgestatteten thermoelektrischen Materialien ermöglichen auch Anwendungen im Bereich der intelligenten tragbaren und medizinischen Geräte.

Quelle:

Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V. / OCSiAl

Foto: rottonara, Pixabay
29.01.2024

Naturalistische Seide aus künstlicher Spinndrüse gesponnen

Unter der Leitung von Keiji Numata ist es Wissenschaftlern des RIKEN Center for Sustainable Resource Science in Japan zusammen mit Kollegen des RIKEN Pioneering Research Cluster gelungen, ein Gerät zu entwickeln, das künstliche Spinnenseide spinnt, die der natürlichen Spinnenseide sehr ähnlich ist. Die künstliche Seidendrüse war in der Lage, die komplexe molekulare Struktur der Seide nachzubilden, indem sie die verschiedenen chemischen und physikalischen Veränderungen nachahmte, die in der Seidendrüse einer Spinne natürlich auftreten. Diese umweltfreundliche Innovation ist ein großer Schritt in Richtung Nachhaltigkeit und könnte für verschiedene Branchen relevant sein. Diese Studie wurde am 15. Januar in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Unter der Leitung von Keiji Numata ist es Wissenschaftlern des RIKEN Center for Sustainable Resource Science in Japan zusammen mit Kollegen des RIKEN Pioneering Research Cluster gelungen, ein Gerät zu entwickeln, das künstliche Spinnenseide spinnt, die der natürlichen Spinnenseide sehr ähnlich ist. Die künstliche Seidendrüse war in der Lage, die komplexe molekulare Struktur der Seide nachzubilden, indem sie die verschiedenen chemischen und physikalischen Veränderungen nachahmte, die in der Seidendrüse einer Spinne natürlich auftreten. Diese umweltfreundliche Innovation ist ein großer Schritt in Richtung Nachhaltigkeit und könnte für verschiedene Branchen relevant sein. Diese Studie wurde am 15. Januar in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Spinnenseide ist bekannt für ihre außergewöhnliche Stärke, Flexibilität und Leichtigkeit, vergleichbar mit Stahl desselben Durchmessers, aber mit einem unvergleichlichen Verhältnis von Stärke zu Gewicht. Darüber hinaus ist sie biokompatibel, d. h. sie kann in der Medizin eingesetzt werden, und biologisch abbaubar. Warum wird dann nicht alles aus Spinnenseide hergestellt? Die Gewinnung von Spinnenseide in großem Maßstab hat sich aus verschiedenen Gründen als unpraktisch erwiesen, so dass Wissenschaftler ein Verfahren entwickeln mussten, um sie im Labor herzustellen.

Spinnenseide ist eine Biopolymerfaser, die aus großen Proteinen mit sich stark wiederholenden Sequenzen, den sogenannten Spidroinen, besteht. In den Seidenfasern befinden sich molekulare Unterstrukturen, die so genannten β-Faltblätter, die richtig ausgerichtet sein müssen, damit die Seidenfasern ihre einzigartigen mechanischen Eigenschaften erhalten. Die Wiederherstellung dieser komplexen molekularen Struktur hat die Wissenschaftler jahrelang vor ein Rätsel gestellt. Anstatt zu versuchen, den Prozess von Grund auf neu zu entwickeln, wählten die RIKEN-Wissenschaftler den Ansatz der Biomimikry. Numata erklärt: „In dieser Studie haben wir versucht, die natürliche Spinnenseidenproduktion mit Hilfe der Mikrofluidik zu imitieren, bei der kleine Mengen von Flüssigkeiten durch enge Kanäle fließen und manipuliert werden. Man könnte sogar sagen, dass die Seidendrüse der Spinne als eine Art natürliches mikrofluidisches Gerät funktioniert.“

Das von den Wissenschaftlern entwickelte Gerät sieht aus wie ein kleiner rechteckiger Kasten, in den winzige Kanäle eingearbeitet sind. Die Spidroin-Vorläuferlösung wird an einem Ende platziert und dann mit Hilfe von Unterdruck zum anderen Ende gezogen. Während die Spidroine durch die mikrofluidischen Kanäle fließen, sind sie präzisen Veränderungen der chemischen und physikalischen Umgebung ausgesetzt, die durch das Design des mikrofluidischen Systems ermöglicht werden. Unter den richtigen Bedingungen bauten sich die Proteine selbst zu Seidenfasern mit ihrer charakteristischen komplexen Struktur auf.

Um die richtigen Bedingungen zu finden, experimentierten die Wissenschaftler und konnten schließlich die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Bereichen des mikrofluidischen Systems optimieren. Unter anderem entdeckten sie, dass es nicht funktionierte, die Proteine mit Kraft durchzudrücken. Nur wenn sie Unterdruck einsetzten, um das Spidroin so zu ziehen, dass es sich auflöst, konnten kontinuierliche Seidenfasern mit der korrekten Ausrichtung der β-Faltblätter entstehen.

„Es war überraschend, wie robust das mikrofluidische System war, sobald die verschiedenen Bedingungen festgelegt und optimiert waren“, sagt der leitende Wissenschaftler Ali Malay, einer der Koautoren der Studie. „Der Aufbau der Fasern erfolgte spontan, extrem schnell und in hohem Maße reproduzierbar. Wichtig ist, dass die Fasern die ausgeprägte hierarchische Struktur aufwiesen, die in natürlichen Seidenfasern zu finden ist.“

Die künstliche Herstellung von Seidenfasern mit dieser Methode könnte zahlreiche Vorteile mit sich bringen. Sie könnte nicht nur dazu beitragen, die negativen Auswirkungen der derzeitigen Textilherstellung auf die Umwelt zu verringern, sondern die biologisch abbaubare und biokompatible Beschaffenheit der Spinnenseide macht sie ideal für biomedizinische Anwendungen wie Nahtmaterial und künstliche Bänder.

„Im Idealfall wollen wir eine Wirkung in der realen Welt erzielen“, sagt Numata. „Um dies zu erreichen, müssen wir unsere Faserproduktionsmethode skalieren und zu einem kontinuierlichen Prozess machen. Außerdem werden wir die Qualität unserer künstlichen Spinnenseide anhand verschiedener Metriken bewerten und auf dieser Grundlage weitere Verbesserungen vornehmen.“

Quelle:

RIKEN Center for Sustainable Resource Science, Japan

CO2 in stabile Kohlenstoff-Nanofasern umwandeln (c) Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory und Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory
22.01.2024

CO2 in stabile Kohlenstoff-Nanofasern umwandeln

Die elektrokatalytisch-thermokatalytische Mehrfachumwandlung könnte dazu beitragen, die Emissionen eines starken Treibhausgases auszugleichen, indem Kohlenstoff in einem nützlichen Material eingeschlossen wird.

Die elektrokatalytisch-thermokatalytische Mehrfachumwandlung könnte dazu beitragen, die Emissionen eines starken Treibhausgases auszugleichen, indem Kohlenstoff in einem nützlichen Material eingeschlossen wird.

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der Columbia University haben eine Methode entwickelt, um Kohlendioxid (CO2), ein starkes Treibhausgas, in Kohlenstoff-Nanofasern umzuwandeln, Materialien mit einer breiten Palette einzigartiger Eigenschaften und vielen potenziellen langfristigen Einsatzmöglichkeiten. Ihre Strategie beruht auf einem Zusammenspiel von elektrochemischen und thermochemischen Reaktionen, die bei relativ niedrigen Temperaturen und Umgebungsdruck ablaufen. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Catalysis beschreiben, könnte es mit diesem Ansatz gelingen, Kohlenstoff in einer nützlichen festen Form zu binden, um Kohlenstoffemissionen auszugleichen oder sogar negativ zu gestalten.

„Man kann die Kohlenstoff-Nanofasern in Zement einarbeiten, um ihn zu verstärken“, so Jingguang Chen, Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia University mit einer gleichzeitigen Anstellung am Brookhaven Lab, der die Forschungsarbeiten leitete. "Damit wäre der Kohlenstoff für mindestens 50 Jahre, möglicherweise sogar länger, im Beton eingeschlossen. Bis dahin sollte die Welt hauptsächlich auf erneuerbare Energiequellen umgestellt sein, die keinen Kohlenstoff freisetzen.

Als Bonus produziert das Verfahren auch Wasserstoffgas (H2), einen vielversprechenden alternativen Kraftstoff, der bei seiner Verwendung keine Emissionen verursacht.

Bindung oder Umwandlung von Kohlenstoff?
Die Idee, CO2 zu binden oder es in andere Stoffe umzuwandeln, um den Klimawandel zu bekämpfen, ist nicht neu. Aber die einfache Lagerung von CO2-Gas kann zu Lecks führen. Und bei vielen CO2-Umwandlungen werden Chemikalien oder Kraftstoffe auf Kohlenstoffbasis hergestellt, die sofort verwendet werden, wodurch das CO2 wieder in die Atmosphäre gelangt.

„Das Neue an dieser Arbeit ist, dass wir versuchen, CO2 in etwas umzuwandeln, das einen Mehrwert bietet, und zwar in einer festen, sinnvollen Form“, so Chen.

Solch feste Kohlenstoffmaterialien - einschließlich Kohlenstoff-Nanoröhren und Nanofasern mit Abmessungen im Milliardstel-Meter-Bereich - haben viele ansprechende Eigenschaften, darunter Festigkeit sowie thermische und elektrische Leitfähigkeit. Es ist jedoch keine einfache Angelegenheit, Kohlenstoff aus Kohlendioxid zu extrahieren und ihn zu diesen feinen Strukturen zusammenzufügen. Ein direkter, hitzegetriebener Prozess erfordert Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius.

„Das ist für die CO2-Reduzierung in großem Maßstab sehr unrealistisch“, sagte Chen. „Im Gegensatz dazu haben wir einen Prozess gefunden, der bei etwa 400 Grad Celsius abläuft, was eine viel praktikablere, industriell erreichbare Temperatur ist.“

Der zweistufige Tandemprozess
Der Trick bestand darin, die Reaktion in mehrere Schritte aufzuteilen und zwei verschiedene Arten von Katalysatoren zu verwenden - Materialien, die es den Molekülen leichter machen, zusammenzukommen und zu reagieren.

„Wenn man die Reaktion in mehrere Teilschritte aufteilt, kann man verschiedene Arten von Energiezufuhr und Katalysatoren in Betracht ziehen, um jeden Teil der Reaktion zum Laufen zu bringen“, so Zhenhua Xie, Forscher am Brookhaven Lab und an der Columbia University, Hauptautor der Studie.

Die Wissenschaftler stellten zunächst fest, dass Kohlenmonoxid (CO) ein viel besseres Ausgangsmaterial als CO2 für die Herstellung von Kohlenstoff-Nanofasern (CNF) ist. Dann machten sie sich auf die Suche nach dem effizientesten Weg, um CO aus CO2 zu erzeugen.

Frühere Arbeiten ihrer Gruppe veranlassten sie, einen handelsüblichen Elektrokatalysator aus Palladium auf Kohlenstoffträgern zu verwenden. Elektrokatalysatoren treiben chemische Reaktionen mit Hilfe eines elektrischen Stroms an. In Gegenwart von fließenden Elektronen und Protonen spaltet der Katalysator sowohl CO2 als auch Wasser (H2O) in CO und H2 auf.

Für den zweiten Schritt wählten die Wissenschaftler einen hitzeaktivierten Thermokatalysator aus einer Eisen-Kobalt-Legierung. Er arbeitet bei Temperaturen um 400 Grad Celsius, also deutlich schonender als es eine direkte Umwandlung von CO2 in CNF erfordern würde. Sie entdeckten außerdem, dass die Zugabe von etwas zusätzlichem metallischem Kobalt die Bildung der Kohlenstoff-Nanofasern stark fördert.

„Durch die Kopplung von Elektrokatalyse und Thermokatalyse können wir mit diesem Tandemverfahren Dinge erreichen, die mit einem der beiden Verfahren allein nicht möglich sind“, so Chen.

Katalysator-Charakterisierung
Um herauszufinden, wie diese Katalysatoren im Detail funktionieren, führten die Wissenschaftler eine Vielzahl von Experimenten durch. Dazu gehörten computergestützte Modellierungsstudien, physikalische und chemische Charakterisierungsstudien an der Nationalen Synchrotronlichtquelle II (NSLS-II) des Brookhaven Labs - unter Verwendung der Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS)- und Inner-Shell Spectroscopy (ISS)-Strahlführungen - sowie mikroskopische Aufnahmen in der Elektronenmikroskopie-Anlage des Center for Functional Nanomaterials (CFN) des Labs.

Bei der Modellierung verwendeten die Wissenschaftler Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT), um die atomaren Anordnungen und andere Eigenschaften der Katalysatoren bei der Wechselwirkung mit der aktiven chemischen Umgebung zu analysieren.

"Wir untersuchen die Strukturen, um festzustellen, welches die stabilen Phasen des Katalysators unter den Reaktionsbedingungen sind", erklärte Studienmitautor Ping Liu von der Chemieabteilung in Brookhaven, der diese Berechnungen leitete. "Wir untersuchen die aktiven Stellen und wie sich diese Stellen mit den Reaktionszwischenprodukten verbinden. Indem wir die Barrieren oder Übergangszustände von einem Schritt zum anderen bestimmen, erfahren wir genau, wie der Katalysator während der Reaktion funktioniert."

Röntgenbeugungs- und Röntgenabsorptionsexperimente an der NSLS-II verfolgten, wie sich die Katalysatoren während der Reaktionen physikalisch und chemisch verändern. Die Synchrotron-Röntgenstrahlen zeigten beispielsweise, wie sich das metallische Palladium im Katalysator durch elektrischen Strom in Palladiumhydrid umwandelt, ein Metall, das für die Produktion von H2 und CO in der ersten Reaktionsstufe entscheidend ist.

Für die zweite Stufe „wollten wir wissen, wie die Struktur des Eisen-Kobalt-Systems unter den Reaktionsbedingungen aussieht und wie man den Eisen-Kobalt-Katalysator optimieren kann“, so Xie. Die Röntgenexperimente bestätigten, dass sowohl eine Legierung aus Eisen und Kobalt als auch zusätzliches metallisches Kobalt vorhanden sind und benötigt werden, um CO in Kohlenstoff-Nanofasern umzuwandeln.

„Die beiden arbeiten nacheinander zusammen“, sagte Liu, deren DFT-Berechnungen zur Erklärung des Prozesses beitrugen.

„Unserer Studie zufolge tragen die Kobalt-Eisen-Stellen in der Legierung dazu bei, die C-O-Bindungen des Kohlenmonoxids zu brechen. Dadurch wird atomarer Kohlenstoff verfügbar, der als Quelle für den Aufbau von Kohlenstoff-Nanofasern dient. Das zusätzliche Kobalt erleichtert dann die Bildung der C-C-Bindungen, die die Kohlenstoffatome miteinander verbinden", erklärte sie.

Recyclingfähig, kohlenstoffnegativ
„Die am CFN durchgeführten Analysen mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) zeigten die Morphologie, die Kristallstrukturen und die Elementverteilung in den Kohlenstoff-Nanofasern sowohl mit als auch ohne Katalysator“, sagt Sooyeon Hwang, Wissenschaftlerin am CFN und Mitautorin der Studie.

Die Bilder zeigen, dass der Katalysator beim Wachsen der Kohlenstoff-Nanofasern nach oben und von der Oberfläche weggeschoben wird. Das macht es einfach, das katalytische Metall zu recyceln, so Chen.

„Wir verwenden Säure, um das Metall auszulaugen, ohne die Kohlenstoff-Nanofaser zu zerstören, so dass wir die Metalle konzentrieren und recyceln können, um sie erneut als Katalysator zu verwenden“, führte er aus.

Diese einfache Wiederverwertung des Katalysators, die kommerzielle Verfügbarkeit der Katalysatoren und die relativ moderaten Reaktionsbedingungen für die zweite Reaktion tragen nach Ansicht der Forscher zu einer günstigen Bewertung der mit dem Verfahren verbundenen Energie- und sonstigen Kosten bei.

„Für praktische Anwendungen ist beides sehr wichtig - die Analyse des CO2-Fußabdrucks und die Wiederverwertbarkeit des Katalysators“, so Chen. „Unsere technischen Ergebnisse und diese anderen Analysen zeigen, dass diese Tandemstrategie eine Tür für die Dekarbonisierung von CO2 in wertvolle feste Kohlenstoffprodukte bei gleichzeitiger Erzeugung von erneuerbarem H2 öffnet."

Wenn diese Prozesse durch erneuerbare Energie angetrieben werden, wären die Ergebnisse wirklich kohlenstoffnegativ, was neue Möglichkeiten zur CO2-Minderung eröffnet.

Quelle:

Brookhaven National Laboratory
Übersetzung: Textination

Foto: Walmart Inc.
15.01.2024

Was ist eine virtuelle Umkleide? Vorzüge und Pioniere

Eines der Hauptprobleme beim Online-Shopping ist, dass Verbraucher Produkte nicht anfassen, fühlen und erleben kann. Dieses Problem ist bei Modeprodukten noch schwieriger, da die richtige Passform für die Kaufentscheidung auschlaggebend ist. Die virtuelle Umkleide (Virtual Fitting Room, VFR), eine Technologie, die es den Verbrauchern ermöglicht, Größe und Passform zu testen, ohne die Kleidung anprobieren zu müssen, räumt mit dieser Sorge auf.

Was ist eine virtuelle Umkleide (VFR)?
Eine virtuelle Umkleide (VFR) ist eine Funktion, die das Outfit eines Kunden anzeigt und visualisiert, ohne dass er die Artikel physisch anprobieren und anfassen muss. VFR nutzt erweiterte Realität (Augmented Reality, AR) und künstliche Intelligenz (KI). Bei der Verwendung von AR für virtuelle Umkleiden scannt eine Webcam die Körperform der Kunden und erstellt ein 360-Grad-3D-Modell auf der Grundlage ihrer Körperform.

Eines der Hauptprobleme beim Online-Shopping ist, dass Verbraucher Produkte nicht anfassen, fühlen und erleben kann. Dieses Problem ist bei Modeprodukten noch schwieriger, da die richtige Passform für die Kaufentscheidung auschlaggebend ist. Die virtuelle Umkleide (Virtual Fitting Room, VFR), eine Technologie, die es den Verbrauchern ermöglicht, Größe und Passform zu testen, ohne die Kleidung anprobieren zu müssen, räumt mit dieser Sorge auf.

Was ist eine virtuelle Umkleide (VFR)?
Eine virtuelle Umkleide (VFR) ist eine Funktion, die das Outfit eines Kunden anzeigt und visualisiert, ohne dass er die Artikel physisch anprobieren und anfassen muss. VFR nutzt erweiterte Realität (Augmented Reality, AR) und künstliche Intelligenz (KI). Bei der Verwendung von AR für virtuelle Umkleiden scannt eine Webcam die Körperform der Kunden und erstellt ein 360-Grad-3D-Modell auf der Grundlage ihrer Körperform.

KI unterstützt VFR außerdem durch die Verwendung von Algorithmen und maschinellem Lernen, um ein 3D-Ganzkörpermodell eines vor der Kamera stehenden Käufers zu erstellen. Eine Kombination aus AR- und KI-Technologie ermöglicht es, Artikel auf Echtzeitbildern als Live-Video zu platzieren, sodass Kunden die Größe, den Stil und die Passform der Produkte, die sie kaufen möchten, überprüfen können.

Die Kunden können Kleidung und Schuhe zu Hause anprobieren, ohne ein Geschäft zu besuchen. Dazu müssen sie zunächst sicherstellen, dass sich die richtigen Einstellungen auf ihrem Telefon finden. Dann laden sie die mobilen Anwendungen einer Marke mit der Funktion VFR herunter oder besuchen die Websites von Bekleidungsmarken, die diese Funktion unterstützen, und laden dann ein Foto ihrer Körperform hoch. Bei einigen Marken können die Kunden einen Avatar mit ihrer Körperform erstellen, um die Modeartikel virtuell zu testen, anstatt ein Foto von sich selbst hochzuladen.

Welchen Nutzen hat der Einsatz einer virtuellen Umkleide für Modehändler?

  • Bietet ein bequemes Einkaufserlebnis
    Eine Studie der National Retail Federation aus dem Jahr 2020 hat ergeben, dass 97 % der Verbraucher einen Einkauf abgebrochen oder die Suche nach dem gewünschten Artikel unterbrochen haben, weil der Vorgang zu umständlich war.
    Die befragten Käufer gaben nicht nur an, dass das persönliche Einkaufen unbequem ist, sondern dass sie das Online-Shopping als noch unbequemer empfinden.
    Mit der VFR entfallen all diese Vorgänge. Die Kunden können in eine virtuelle Umkleide gehen und schnell sehen, wie die Kleidung aussieht, ohne sich umziehen zu müssen.
     
  • Überwindet die Grenzen des Online-Shoppings
    Im Jahr 2017 bevorzugten 62 % der Kunden den Einkauf in physischen Bekleidungsgeschäften, weil sie dort die Produkte sehen, anfassen, fühlen und erleben konnten. Dies war ein großes Problem, das das Online-Shopping nicht lösen konnte.
    VFR löst dieses Problem effektiv. Laut einem Retail Perceptions Report gaben etwa 40 % der Käufer an, dass sie bereit wären, mehr zu bezahlen, wenn sie das Produkt durch AR-Technologie erleben könnten. Durch die Integration neuer Technologien macht VFR das Einkaufen zum Vergnügen und bietet den Kunden ein personalisiertes Einkaufserlebnis, das mehr Menschen in die Online-Kanäle locken kann.
     
  • Reduziert die Rücksendequote
    Hohe Rücksendequoten bereiten den Modemarken große administrative Probleme. Außerdem drohen sie die Gewinne der Modemarken zu schmälern, wenn sie kostenlose Rücksendungen anbieten. 30 % der Rücksendungen beim Einkauf von Mode im elektronischen Handel sind auf den Kauf von Produkten in zu kleinen Größen zurückzuführen, weitere 22 % auf den Kauf von Produkten in zu großen Größen.
    Mit der VFR wird dieses Problem jedoch verringert. Ob im Geschäft oder online, Menschen können Passform und Größe von Artikeln überprüfen, ohne sie selbst tragen zu müssen.

Welche Marken nutzen bereits die VFR-Technologie?
Gucci

Gucci ist die erste Luxusmarke, die VFR einsetzt. Sie hat sich mit Snapchat zusammengetan, um eine AR-Kampagne zur Schuhanprobe zu starten. Dabei wurde eine virtuelle Linse erstellt, die eine digitale Version des Schuhs auf dem Fuß des Käufers überlagert, wenn dieser mit einer Handykamera fotografiert wird.

Zusammen mit dem "Shop Now"-Button, der die Kunden zum Online-Shop führt, erreichte Gucci 18,9 Millionen Snapchat-Nutzer und meldete einen positiven Return on Ad Spend (ROAS), eine Marketing-Kennzahl, die den Umsatz aller für die Kampagne ausgegebenen Werbegelder misst.

Otero Menswear
Otero Menswear ist eine Marke, die sich auf Bekleidung für Männer unter 1,78 m (5'10") konzentriert. Otero hat seinen Online-Shop um die VFR-Software erweitert, um seinen Kunden perfekt passende Größen anbieten zu können. Zunächst werden den Kunden vier kurze Fragen zu ihrer Größe, Beinlänge, Taillenumfang und ihrem Körpertyp gestellt. Dann wird ein virtueller Avatar angeboten, der den Antworten entspricht. Anhand dieses Avatars können die Kunden dann sehen, wie die Otero-Kleidung in verschiedenen Größen an ihnen aussehen würde.

Walmart
Im Mai 2021 kündigte Walmart die Übernahme von Zeekit, einer Plattform für virtuelle Umkleiden, an, um den Kunden während der Pandemie ein verbessertes und soziales Einkaufserlebnis bieten zu können.

Wenn Kunden Bilder von sich selbst hochladen und ihre Körpermaße eingeben, erstellt Zeekit einen virtuellen Körper, den die Kunden dann entsprechend anziehen können. Kunden stellen einfach ihre Fotos ein oder wählen virtuelle Modelle auf der Plattform aus, die am besten zu ihrer Größe, ihrem Körper und ihrem Hautton passen. Sie können ihre virtuelle Kleidung sogar mit anderen teilen, um verschiedene Meinungen einzuholen. Durch die Übernahme von VFR bietet Walmart seinen Kunden ein umfassendes und soziales Erlebnis beim digitalen Einkaufen.

Laut einer Studie von Valuates Reports wird erwartet, dass der Umsatz des globalen Marktes für virtuelle Umkleiden bis 2025 auf 6,5 Millionen Dollar ansteigen wird. Durch die Einführung der VFR werden die Verbraucher in der Lage sein, die Bequemlichkeit einer modernen Einkaufsumgebung zu erleben. Gleichzeitig können Modehändler ihren Online-Umsatz steigern und die Rücksendequote senken, indem sie ihren Kunden mithilfe der VFR-Technologie ein personalisiertes Online-Einkaufserlebnis bieten.

Quelle:

Heekyeong Jo und B. Ellie Jin
Dieser Artikel wurde ursprünglich von Mitgliedern des Wilson College of Textiles' Fashion Textile and Business Excellence Cooperative veröffentlicht

Bäckerei Pexels auf Pixabay
08.01.2024

BakeTex: Textile Backunterlage hilft Bäckereien beim Energiesparen

Die anhaltende Energiekrise bringt das Bäckerhandwerk mehr und mehr an seine Grenzen. Allerorts müssen Bäckereien schließen, weil sie die stark gestiegenen Kosten für Strom und Gas nicht mehr aufbringen können. Der Einsatz energieeffizienter Backöfen und die Optimierung der Produktionsprozesse sind wichtige Bausteine, die helfen, Energie einzusparen. Forscher des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg haben jetzt einen weiteren Baustein entwickelt: eine textile Backunterlage.
 
In Bäckereien werden standardmäßig Bleche als Unterlage für die Backware in Kombination mit Backpapier oder Mehl eingesetzt, was nicht nur zu hohen Mengen an Abfall, sondern auch zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen (Bäckerasthma) führt. Die Backbleche sind zudem schwer und erhöhen durch ihre Masse den Energieverbrauch im Ofen, da sie bei jedem Backvorgang mit aufgeheizt werden müssen.

Die anhaltende Energiekrise bringt das Bäckerhandwerk mehr und mehr an seine Grenzen. Allerorts müssen Bäckereien schließen, weil sie die stark gestiegenen Kosten für Strom und Gas nicht mehr aufbringen können. Der Einsatz energieeffizienter Backöfen und die Optimierung der Produktionsprozesse sind wichtige Bausteine, die helfen, Energie einzusparen. Forscher des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg haben jetzt einen weiteren Baustein entwickelt: eine textile Backunterlage.
 
In Bäckereien werden standardmäßig Bleche als Unterlage für die Backware in Kombination mit Backpapier oder Mehl eingesetzt, was nicht nur zu hohen Mengen an Abfall, sondern auch zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen (Bäckerasthma) führt. Die Backbleche sind zudem schwer und erhöhen durch ihre Masse den Energieverbrauch im Ofen, da sie bei jedem Backvorgang mit aufgeheizt werden müssen.

Vor diesem Hintergrund hatte die Bayerische Forschungsstiftung im Jahr 2021 ein Forschungsprojekt bewilligt, in dem eine Alternative zu herkömmlichen Backblechen entwickelt werden sollte und das 2023 erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Projektpartner waren das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK aus Münchberg, die Fickenschers Backhaus GmbH aus Münchberg und die Weberei Wilhelm Zuleeg GmbH aus Helmbrechts.

Ziel des Projekts war es, eine energiesparende, schadstofffreie und wiederverwendbare textile Backunterlage mit integrierter Antihaftwirkung für den Einsatz in industriellen Bäckereien zu entwickeln. Leichtgewichtige und hitzebeständige Textilien bieten das Potenzial, die Vorheiztemperatur im Backofen zu senken und somit den Energieverbrauch zu reduzieren.
 
In einem ersten Schritt wurde daher ein dünnes para-Aramidgewebe aus Langstapelfasergarn mit 120 g/m² gefertigt und auf einen metallischen Rahmen gespannt. „Für die Webbindung hat sich die Dreherbindung als besonders geeignet erwiesen. Ihre charakteristische Gitterstruktur gewährleistet, dass das Textil nicht nur leicht, sondern auch luftdurchlässig ist“, so Silke Grosch vom Fraunhofer-Anwendungszentrum TFK.

„Außerdem kann sich das Gewebe durch das Fixieren der Fäden beim Waschen nicht verziehen und bleibt für lange Zeit formstabil“. Eine vollflächige Silikonbeschichtung sorgt schließlich dafür, dass die Backware an der Backunterlage nicht anhaftet. Dadurch kann auf das bislang notwendige Backpapier und die Mehlschicht verzichtet werden. Damit am Ende die Brötchen genauso rösch und braun aus dem Ofen kommen wie bei einem Standardblech, muss lediglich das Backprogramm angepasst werden. Ein wesentlicher Vorteil der textilen Backunterlage besteht weiterhin darin, dass sie faltbar ist und damit platzsparend gelagert werden kann.  
Im Zuge der vierten industriellen Revolution (Industrie 4.0) wird die Backunterlage mit intelligenten Zusatzfunktionen ausgestattet sein. Zum einen können die Produktionsdaten im Backbetrieb mittels RFID-Chips oder QR-Codes ermittelt werden, zum anderen können Backwaren über ein individuelles Branding gezielt beworben werden.

Prof. Dr. Frank Ficker, Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums TFK resümiert: „Mit der textilen Backunterlage haben wir gemeinsam mit unseren Projektpartnern ein zeitgemäßes und ressourcenschonendes Produkt entwickelt, das sich durch geringes Gewicht und hohe Flexibilität auszeichnet. Zusammen mit den möglichen Energieeinsparungen wird es dadurch für viele Bäckereibetriebe interessant.“

Das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg ist spezialisiert auf die Entwicklung, Herstellung und Prüfung textiler keramischer Komponenten. Es gehört zum Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL in Bayreuth, eine Einrichtung des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC mit Hauptsitz in Würzburg.

Quelle:

Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK

Verbesserte Fertigungsmethode für Wundverschlüsse (c) Wilson College of Textiles
03.01.2024

Verbesserte Fertigungsmethode für Wundverschlüsse

Wenn Sie schon einmal genäht wurden oder einen chirurgischen Eingriff hatten, haben Sie vielleicht eine Wundnaht erhalten. Das sind die Fäden, die zum Schließen von Wunden oder zum Zusammenfügen von Gewebe zu anderen Zwecken verwendet werden.

Aber wussten Sie, dass es verschiedene Arten von Nahtmaterial gibt, die sich auf Ihre Erfahrungen beim Arzt oder Chirurgen auswirken können?

So können beispielsweise „barbed sutures“ (chirurgisches Nahtmaterial mit Widerhaken) die Zeit, die Sie auf dem Operationstisch verbringen, verkürzen und die Wahrscheinlichkeit chirurgischer Komplikationen verringern. Diese Art von Naht hat ihre Wurzeln im amerikanischen Forschungsdreieck der drei Universitäten North Carolina State University, Duke University und University of North Carolina at Chapel Hill, sie wird von Studenten und Lehrkräften des Wilson College of Textiles weiterentwickelt.

Wenn Sie schon einmal genäht wurden oder einen chirurgischen Eingriff hatten, haben Sie vielleicht eine Wundnaht erhalten. Das sind die Fäden, die zum Schließen von Wunden oder zum Zusammenfügen von Gewebe zu anderen Zwecken verwendet werden.

Aber wussten Sie, dass es verschiedene Arten von Nahtmaterial gibt, die sich auf Ihre Erfahrungen beim Arzt oder Chirurgen auswirken können?

So können beispielsweise „barbed sutures“ (chirurgisches Nahtmaterial mit Widerhaken) die Zeit, die Sie auf dem Operationstisch verbringen, verkürzen und die Wahrscheinlichkeit chirurgischer Komplikationen verringern. Diese Art von Naht hat ihre Wurzeln im amerikanischen Forschungsdreieck der drei Universitäten North Carolina State University, Duke University und University of North Carolina at Chapel Hill, sie wird von Studenten und Lehrkräften des Wilson College of Textiles weiterentwickelt.

Dr. Gregory Ruff, ein landesweit anerkannter plastischer Chirurg, erfand den innovativen Verschluss erstmals 1991 in Chapel Hill, North Carolina.

„Ich habe darüber gegrübelt, dass wir Wunden mit einer Schlaufe und einem Knoten zusammennähen, und wenn man sie zu fest zusammenbindet, kann das die Durchblutung einschränken und das Gewebe in der Schlaufe zerstören“, erinnert sich Dr. Ruff. Ich habe weiter über Tiere nachgedacht, und mir kam der Stachelschweinkiel in den Sinn. Und das Aha-Erlebnis war: ‚Was wäre, wenn wir einen Stachel auf der einen Seite der Wunde anbringen und einen anderen auf der anderen Seite der Wunde, so dass es keine Schlaufe gibt: Die Stacheln gehen rein, aber sie kommen nicht wieder raus?‘“

Wie der Name schon sagt, haben Widerhaken-Nähte kleine Fortsätze, die aus ihnen herausschießen und sich im Gewebe verankern können: Denken Sie an Stacheldraht oder einen Angelhaken. Diese „Stacheln“ oder Widerhaken ermöglichen es dem Nahtmaterial, sich selbst zu verankern. Da kein Knoten zur Sicherung der Naht erforderlich ist, erfolgt der Verschluss schneller, und das Fehlen von Knoten und einschnürenden Schlingen fördert die Heilung. Zudem können Chirurgen dadurch auch mehr Operationen terminieren.

Bald nach seinem Aha-Erlebnis gründete Dr. Ruff sein eigenes Unternehmen, Quill Medical, um diese Widerhaken-Nähte herzustellen. Er verfügte zwar über das medizinische Fachwissen und einen soliden Geschäftspartner, doch suchte Dr. Ruff jemanden, der ihn in Bezug auf die Materialzusammensetzung des Nahtmaterials beraten konnte. Die biomedizinische Textilforschungsgruppe des Wilson College unter der Leitung von Professor Martin King erwies sich schnell als der geeignete Partner.

In den Laboren des Wilson College führten Kings Doktoranden eine Reihe von Tests mit Ruffs Nahtmaterial in verschiedenen Gewebetypen (wie Haut, Muskeln usw.) durch. Einer dieser Studenten, Nilesh Ingle, fand heraus, dass die Widerhaken am besten funktionierten, wenn ihre Winkel speziell auf die Art des zu nähenden Gewebes zugeschnitten waren.

Jahre danach baut einer von Kings derzeitigen Doktoranden auf diesen Forschungsergebnissen auf.

Herausforderungen verstehen und innovative Lösungen anbieten
Fast drei Jahrzehnte nach der Erfindung der Widerhaken-Naht verwenden die meisten Chirurgen trotz der von Forschern und Chirurgen dokumentierten Vorteile immer noch herkömmliche Nähte. Aber wieso?

Karuna Nambi Gowri, Doktorandin der Faser- und Polymerwissenschaften in Kings Forschungsgruppe, nennt dafür zwei Gründe. Der erste Grund ist der Widerstand gegen Veränderungen. Die meisten praktizierenden Chirurgen haben den Umgang mit Nahtmaterial gelernt, bevor chirurgisches Nahtmaterial mit Widerhaken auf breiter Front verfügbar wurde.

Das zweite Hindernis für die Verwendung von solchen Widerhakenfäden ist ihre Beschaffung. Widerhaken-Nähte sind in der Regel sowohl teuer als auch schwer zu beschaffen. Das liegt daran, dass das derzeitige Verfahren zu ihrer Herstellung (mechanisch und mit Klingen) sowohl zeitlich als auch ressourcenmäßig ineffizient ist.

Hier setzt die Forschung von Nambi Gowri in der Forschungsgruppe für biomedizinische Textilien des Wilson College an. Sie entwickelt eine schnellere und billigere Methode zur Herstellung von Nahtmaterial mit Widerhaken in der gleichen Qualität.

„Wenn ich mit einem Laser arbeite, ist die Herstellungszeit im Vergleich zu einer mechanischen Widerhakentechnik ziemlich kurz“, so Nambi Gowri.

Der Wechsel von einer mechanischen Methode zu einer Lasermethode hat einen weiteren Vorteil. „Die Manipulation des Widerhakennahtmaterials selbst ist mit einem Laser einfacher“, betont sie.

Mit anderen Worten: Der Einsatz des Lasers ermöglicht es Nambi Gowri, die von früheren Forschern vorgeschlagenen individuellen Widerhakengeometrien oder -winkel in kommerziellem Maßstab anzuwenden. Mit diesen maßgeschneiderten Geometrien kann das Nahtmaterial mit Widerhaken für die Art des Gewebes, das es verbinden soll, optimiert werden.

Neben dem neuen Verfahren entwickelt Nambi Gowri auch ein neues Nahtmaterial. „Ich bin die erste, die Catgut-Nähte mit Widerhaken untersucht hat“, erklärt sie.

Catgut war eines der ersten Materialien, die zur Herstellung von Nahtmaterial verwendet wurden. Der Faden wird aus Gewebe hergestellt, das dem Magen eines Tieres entnommen wird. Während die Industrie von diesem Material zugunsten synthetischer Polymere abgerückt ist, sieht Nambi Gowri das Potenzial von Catgut für Widerhaken-Nähte, da es sich schnell abbaut.

„Dies sind nützliche externe Wundverschlüsse“, sagt sie. „Da unser Körper so viel Kollagen enthält und Catgut zu 90 % aus Kollagen besteht, ist es ein geeigneteres Polymer, das in menschlichem Gewebe verwendet werden kann."

Praktische Erfahrungen prägen die Forschung
In der Zwischenzeit hat Nambi Gowri praktische Erfahrungen gesammelt, die sie in ihre Forschung einfließen lässt, indem sie alle Widerhakennähte herstellt, die bei den Mikro-Facelift-Operationen von Dr. Ruff verwendet werden.

Die Operation selbst wird durch die Form und die Materialzusammensetzung des Nahtmaterials ermöglicht: Poly-4-hydroxybutyrat (P4HB). Dieses Polymer ist in unserem Körper bereits natürlich vorhanden, so dass Nahtmaterial aus P4HB mit der Zeit auf natürliche und sichere Weise vom Körper aufgenommen wird. Das bedeutet, dass die Patienten nach der Operation keinen Termin für die Entfernung des Nahtmaterials vereinbaren müssen.

P4HB bietet außerdem die perfekte Kombination aus Festigkeit und Elastizität, um das Gesichtsgewebe zu stabilisieren, bis die Wunde verheilt ist. Die Widerhaken hingegen ermöglichen es, die Naht zu platzieren und sicher in der Haut zu verankern, ohne dass große Schnitte erforderlich sind.

„Die Haut strafft sich sofort“, sagt Dr. Ruff über das Verfahren, das Patienten aus dem ganzen Land anzieht. „Ich muss also keine Haare entfernen und keine Narbe am Haaransatz hinterlassen.“

“Diese Fäden sind weltweit nicht im Handel erhältlich. Um Nahtmaterial mit Widerhaken in unterschiedlicher Größe zuverlässig und einheitlich für den Einsatz in der klinischen Praxis mechanisch zu verarbeiten, braucht man also Geschick, Erfahrung und Kenntnisse in der Qualitätskontrolle“, sagt Professor King über die Arbeit von Nambi Gowri.

Dadurch hat Karuna ein praktisches Verständnis für die Nähte gewonnen, die sie zu verbessern hofft. Ihr Wissen über Fasern und Polymere habe dabei eine Schlüsselrolle gespielt, um alle Aspekte ihrer Forschung anzugehen.

„Alle analytischen Techniken, die für die Charakterisierung von Nahtmaterial verwendet werden - wie die Bestimmung mechanischer Eigenschaften und die Messung der Zugfestigkeit - stammen eigentlich aus meinem Wissen über Textilien“, sagt sie. „Ich wende meine Kenntnisse in der Polymerchemie an, um sicherzustellen, dass der Laser nicht dazu führt, dass das Nahtmaterial degradiert, schmilzt oder thermische Schäden erleidet.“

Wie geht es weiter?
Nambi Gowri arbeitet an der Patentierung ihrer Entwürfe und ist zuversichtlich, dass sie mit ihrer Dissertation nach ihrem Abschluss im Bereich Forschung und Entwicklung (F&E) erfolgreich sein wird.

In der Zwischenzeit hat sie bereits herausgefunden, wie ihre Forschung einen breiteren Nutzen haben kann.

„Dr. Dan Duffy, DVM, ein Chirurg am NC State College für Veterinärmedizin, ist ebenfalls an der Verwendung von Widerhaken-Nähten interessiert, um gerissene und kaputte Sehnen bei seinen Tieren zu behandeln, aber er hält die Kosten für den Kauf von kommerziellen Widerhaken-Nähten für unerschwinglich. Wir müssen also zusammenarbeiten", sagt King. „Karuna als Retterin!“

Quelle:

North Carolina State University, Sarah Stone

Neue leitfähige Faser auf Baumwollbasis für Smart Textiles entwickelt Foto: Dean Hare, WSU Photo Services
29.12.2023

Neue leitfähige Faser auf Baumwollbasis für Smart Textiles entwickelt

Ein einzelner Faserstrang, der an der Washington State University entwickelt wurde, hat die Flexibilität von Baumwolle und die elektrische Leitfähigkeit eines Polymers namens Polyanilin.

Das neu entwickelte Material zeigt gutes Potenzial für tragbare E-Textiles. Die WSU-Forscher testeten die Fasern mit einem System, das eine LED-Lampe mit Strom versorgte, und einem anderen, das Ammoniakgas aufspürte. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift „Carbohydrate Polymers“.

„Wir haben eine Faser aus zwei Schichten: eine Schicht ist die herkömmliche Baumwolle, die flexibel und stark genug für den täglichen Gebrauch ist, und die andere Seite ist das leitfähige Material", sagt Hang Liu, Textilwissenschaftlerin an der WSU und Autorin der Studie.

„Die Baumwolle kann das leitfähige Material tragen, das die gewünschte Funktion erfüllen kann.“

Ein einzelner Faserstrang, der an der Washington State University entwickelt wurde, hat die Flexibilität von Baumwolle und die elektrische Leitfähigkeit eines Polymers namens Polyanilin.

Das neu entwickelte Material zeigt gutes Potenzial für tragbare E-Textiles. Die WSU-Forscher testeten die Fasern mit einem System, das eine LED-Lampe mit Strom versorgte, und einem anderen, das Ammoniakgas aufspürte. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift „Carbohydrate Polymers“.

„Wir haben eine Faser aus zwei Schichten: eine Schicht ist die herkömmliche Baumwolle, die flexibel und stark genug für den täglichen Gebrauch ist, und die andere Seite ist das leitfähige Material", sagt Hang Liu, Textilwissenschaftlerin an der WSU und Autorin der Studie.

„Die Baumwolle kann das leitfähige Material tragen, das die gewünschte Funktion erfüllen kann.“

Die Idee ist, solche Fasern als Sensoraufnäher mit flexiblen Schaltkreisen in die Kleidung zu integrieren, auch wenn es noch weiterer Entwicklung bedarf. Diese Aufnäher könnten Teil der Uniformen von Feuerwehrleuten, Soldaten oder Arbeitern sein, die mit Chemikalien umgehen, um gefährliche Expositionen zu erkennen. Andere Anwendungen sind Gesundheitsüberwachungen oder Sporthemden, die mehr können als die derzeitigen Fitnessmonitore.

„Es gibt bereits einige intelligente Wearables, wie z. B. intelligente Uhren, die die Bewegung und die menschlichen Vitalparameter überwachen können, aber wir hoffen, dass in Zukunft auch die Alltagskleidung diese Funktionen erfüllen kann“, so Liu. „Mode ist nicht nur Farbe und Stil, wie viele Leute denken: Mode ist Wissenschaft.“

In dieser Studie arbeitete das WSU-Team daran, die Herausforderungen beim Mischen des leitfähigen Polymers mit Baumwollzellulose zu meistern. Polymere sind Stoffe mit sehr großen Molekülen, die ein sich wiederholendes Muster aufweisen. In diesem Fall verwendeten die Forscher Polyanilin, auch bekannt als PANI, ein synthetisches Polymer mit leitenden Eigenschaften, das bereits in Anwendungen wie der Herstellung von Leiterplatten verwendet wird.

Polyanilin ist zwar von Natur aus leitfähig, aber spröde und kann daher nicht zu einer Faser für Textilien verarbeitet werden. Um dieses Problem zu bewältigen, lösten die WSU-Forscher Baumwollzellulose aus recycelten T-Shirts in einer Lösung und das leitfähige Polymer in einer anderen Lösung auf. Diese beiden Lösungen wurden dann zusammengeführt, und das Material wurde zu einer Faser extrudiert.

Das Ergebnis zeigte eine gute Grenzflächenbindung, was wiederum bedeutet, dass die Moleküle der verschiedenen Materialien durch Dehnung und Biegung zusammenbleiben würden.

Die richtige Mischung an der Schnittstelle zwischen Baumwollzellulose und Polyanilin zu erzielen, sei ein schwieriger Balanceakt, so Liu.

„Wir wollten, dass diese beiden Lösungen so zusammenwirken, dass sich die Baumwolle und das leitfähige Polymer bei Kontakt bis zu einem gewissen Grad vermischen und sozusagen zusammenkleben, aber wir wollten nicht, dass sie sich zu sehr vermischen, da sonst die Leitfähigkeit beeinträchtigt würde“, sagte sie.

Weitere WSU-Autoren dieser Studie waren der Hauptautor Wangcheng Liu sowie Zihui Zhao, Dan Liang, Wei-Hong Zhong und Jinwen Zhang. Diese Forschung wurde von der National Science Foundation und dem Walmart Foundation Project unterstützt.

Quelle:

Sara Zaske, WSU News & Media Relations

Chemiker entwickelt Kunststoffalternativen aus Proteinen und Kleiderresten Foto: Challa Kumar, emeritierter Professor für Chemie, in seinem Labor. (zur Verfügung gestelltes Foto)
21.12.2023

Chemiker entwickelt Kunststoffalternativen aus Proteinen und Kleiderresten

Challa Kumar hat Methoden zur Herstellung neuartiger kunststoffähnlicher Materialien aus Proteinen und Textilien entwickelt.

Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Weitere 92 Millionen Tonnen Textilabfälle werden zusätzlich jährlich erzeugt.

Challa Kumar, emeritierter Chemieprofessor, war es leid, dass die Menschen immer mehr Giftmüll in die Umwelt pumpen und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Für den Chemiker bedeutete dies, sein Fachwissen für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien einzusetzen.

Challa Kumar hat Methoden zur Herstellung neuartiger kunststoffähnlicher Materialien aus Proteinen und Textilien entwickelt.

Jedes Jahr fallen weltweit 400 Millionen Tonnen Plastikmüll an. Zwischen 19 und 23 Millionen Tonnen dieses Plastikmülls gelangen in aquatische Ökosysteme, der Rest landet im Boden. Weitere 92 Millionen Tonnen Textilabfälle werden zusätzlich jährlich erzeugt.

Challa Kumar, emeritierter Chemieprofessor, war es leid, dass die Menschen immer mehr Giftmüll in die Umwelt pumpen und fühlte sich gezwungen, etwas zu tun. Für den Chemiker bedeutete dies, sein Fachwissen für die Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien einzusetzen.

„Jeder sollte darüber nachdenken, wo immer er kann, auf fossilen Brennstoffen basierende Materialien durch natürliche zu ersetzen, um unserer Zivilisation zu helfen zu überleben", sagt Kumar. „Das Haus brennt, wir können nicht warten. Wenn das Haus brennt und man beginnt, einen Brunnen zu graben, dann wird das nicht funktionieren. Es ist an der Zeit, das Haus zu löschen.“

Kumar hat zwei Technologien entwickelt, die Proteine bzw. Textilien verwenden, um neue Materialien zu schaffen. Die Technology Commercialization Services (TCS) der UConn haben für beide Technologien vorläufige Patente angemeldet.

Inspiriert von der Fähigkeit der Natur, eine Vielzahl funktioneller Materialien zu konstruieren, entwickelten Kumar und sein Team eine Methode zur Herstellung stufenlos steuerbarer, ungiftiger Materialien.

„Die Chemie ist das Einzige, was uns in die Quere kommt“, so Kumar. „Wenn wir die Proteinchemie verstehen, können wir Proteinmaterialien herstellen, die so stark wie ein Diamant oder so weich wie eine Feder sind.“

Die erste Innovation ist ein Verfahren zur Umwandlung natürlich vorkommender Proteine in kunststoffähnliche Materialien. Kumars Student, Ankarao Kalluri '23 Ph.D., arbeitete an diesem Projekt.

Proteine haben „reaktive Gruppen“ auf ihrer Oberfläche, die mit Substanzen reagieren können, mit denen sie in Berührung kommen. Kumar und sein Team nutzten sein Wissen über die Funktionsweise dieser Gruppen, um Proteinmoleküle durch eine chemische Verbindung miteinander zu verknüpfen.

Bei diesem Prozess entsteht ein sogenannter Dimer - ein Molekül, das aus zwei Proteinen besteht. Anschließend wird das Dimer mit einem anderen Dimer zu einem Tetramer verbunden, und so weiter, bis ein großes 3D-Molekül entsteht. Dieser 3D-Aspekt der Technologie ist einzigartig, da die meisten synthetischen Polymere lineare Ketten aufweisen.

Dank dieser innovativen 3D-Struktur kann sich das neue Polymer wie ein Kunststoff verhalten. Genau wie die Proteine, aus denen es besteht, kann sich das Material dehnen, seine Form verändern und falten. So kann das Material mit Hilfe der Chemie für eine Vielzahl von spezifischen Anwendungen maßgeschneidert werden.

Da Kumars Material aus Proteinen und einer biologisch verbindenden Chemikalie besteht, kann es im Gegensatz zu synthetischen Polymeren biologisch abgebaut werden, so wie es pflanzliche und tierische Proteine natürlich tun.

„Die Natur baut Proteine ab, indem sie die Amidbindungen in ihnen aufspaltet“, sagt Kumar. „Sie verfügt über Enzyme, die diese Art von Chemie beherrschen. Wir haben die gleichen Amidbindungen in unseren Materialien. Die gleichen Enzyme, die in der Biologie arbeiten, sollten also auch bei diesem Material funktionieren und es auf natürliche Weise abbauen.“

Im Labor stellte das Team fest, dass sich das Material innerhalb weniger Tage in saurer Lösung zersetzt. Jetzt untersuchen sie, was passiert, wenn sie dieses Material im Boden vergraben, was das Los vieler Post-Consumer-Kunststoffe ist.

Sie haben gezeigt, dass das Material auf Proteinbasis eine Vielzahl von kunststoffähnlichen Produkten bilden kann, darunter Kaffeetassendeckel und dünne transparente Folien. Es könnte auch zur Herstellung von feuerfesten Dachziegeln oder höherwertigen Materialien wie Autotüren, Raketenspitzen oder Herzklappen verwendet werden.

Die nächsten Schritte für diese Technologie bestehen darin, ihre mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit oder Flexibilität, sowie ihre Toxizität weiter zu testen.

„Ich denke, wir brauchen ein soziales Bewusstsein dafür, dass wir keine toxischen Substanzen in die Umwelt bringen dürfen“, sagt Kumar. „Das geht einfach nicht. Wir müssen damit aufhören. Und wir können auch keine Materialien verwenden, die aus fossilen Brennstoffen stammen.“

Kumars zweite Technologie beruht auf einem ähnlichen Prinzip, verwendet aber nicht nur Proteine, sondern solche, die mit Naturfasern, insbesondere Baumwolle, verstärkt sind.

„Durch die sich schnell verändernde Modeindustrie entsteht jedes Jahr eine Menge Textilabfall“, sagt Kumar. „Warum sollten wir diese Abfälle nicht nutzen, um nützliche Materialien herzustellen - Abfall in Wohlstand umzuwandeln.“

Genau wie die kunststoffähnlichen Proteinmaterialien (Proteios, abgeleitet von den griechischen Originalwörtern) erwartet Kumar, dass die aus Proteinen und Naturfasern hergestellten Verbundmaterialien biologisch abbaubar sind, ohne toxische Abfälle zu produzieren.

Im Labor hat Kumars ehemaliger Student, der Doktorand Adekeye Damilola, viele Objekte aus Protein-Gewebe-Verbundstoffen hergestellt, darunter kleine Schuhe, Tische, Blumen und Stühle. Dieses Material enthält Textilfasern, die als Bindemittel für die Proteine dienen, und nicht die Vernetzungschemikalien, die Kumar für die proteinbasierten Kunststoffe verwendet.

Die Querverbindung verleiht dem neuartigen Material die Festigkeit, die es braucht, um dem Gewicht standzuhalten, das beispielsweise auf einem Stuhl oder Tisch lastet. Die natürliche Affinität zwischen Fasern und Proteinen ist der Grund, warum es so schwierig ist, Lebensmittelflecken aus der Kleidung zu entfernen. Die gleiche Anziehungskraft sorgt für starke Materialien aus Proteinfasern.

Kumars Team hat zwar bisher nur mit Baumwolle gearbeitet, geht aber davon aus, dass sich andere Fasermaterialien wie Hanffasern oder Jute aufgrund ihrer inhärenten, jedoch ähnlichen chemischen Eigenschaften wie Baumwolle auch so verhalten würden.

„Das Protein haftet auf natürliche Weise an der Oberfläche des Materials“, sagt Kumar. „Wir nutzten diese Erkenntnis, um zu sagen: 'Hey, wenn es sich so fest an Baumwolle bindet, warum machen wir dann nicht ein Material daraus? Und es funktioniert, es funktioniert erstaunlich."

Mit der Unterstützung von TCS sucht Professor Kumar derzeit nach Industriepartnern, um diese Technologien auf den Markt zu bringen. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Michael Invernale unter michael.invernale@uconn.edu.

Weitere Informationen:
Polymere Kunststoffe Naturfasern Baumwolle
Quelle:

Anna Zarra Aldrich '20 (CLAS), Büro des Vizepräsidenten für Forschung

Konzeptualisierung eines Laufschuhs aus einem Metamaterial. KI-generiert mit DALL-E (Visualisierung: ETH Zürich) Konzeptualisierung eines Laufschuhs aus einem Metamaterial. KI-generiert mit DALL-E (Visualisierung: ETH Zürich)
18.12.2023

KI für sicherere Fahrradhelme und bessere Schuhsohlen

Forschende haben eine künstliche Intelligenz so trainiert, dass sie die Struktur sogenannter Metamaterialien mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungsfälle entwerfen kann.

Forschende haben eine künstliche Intelligenz so trainiert, dass sie die Struktur sogenannter Metamaterialien mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungsfälle entwerfen kann.

  • ETH-Forschende haben mit Hilfe von künstlicher Intelligenz Metamaterialien entworfen, die ungewöhnliche oder außerordentliche Reaktionen auf komplexe Belastungen zeigen.
  • Ihr neues KI-Tool entschlüsselt die wesentlichen Merkmale der Mikrostruktur eines Metamaterials und sagt sein Verformungsverhalten präzise voraus.
  • Das Tool findet nicht nur optimale Mikrostrukturen, sondern umgeht auch zeitaufwändige technische Simulationen.

Fahrradhelme, die die Energie eines Aufpralls absorbieren, Laufschuhe, die jedem Schritt einen zusätzlichen Schub geben, oder Implantate, die die Eigenschaften von Knochen imitieren. Metamaterialien machen solche Anwendungen möglich. Ihre innere Struktur ist das Ergebnis eines sorgfältigen Designprozesses, wonach 3D-Drucker die generierten Strukturen mit optimierten Eigenschaften herstellen können. Forschende unter der Leitung von Dennis Kochmann, Professor für Mechanik und Materialforschung am Departement für Maschinenbau und Verfahrungstechnik der ETH Zürich, haben neuartige KI-Tools entwickelt. Diese umgehen den zeitaufwändigen und auf Intuition basierenden Designprozess von Metamaterialien und sagen stattdessen Strukturen mit außergewöhnlichen Eigenschaften schnell und automatisiert vorher. Ein Novum ist, dass diese Tools auch für große (sogenannte nichtlineare) Belastungen anwendbar sind, zum Beispiel wenn ein Helm bei einem Aufprall große Kräfte absorbiert.

Kochmanns Team gehört zu den Pionieren bei der Entwicklung kleiner zellulärer Strukturen (vergleichbar mit dem Gebälk in Fachwerkhäusern), um Metamaterialien mit besonderen Eigenschaften zu erschaffen. «Wir entwerfen zum Beispiel Metamaterialien, die sich wie Flüssigkeiten verhalten: schwer zu komprimieren, aber leicht zu verformen. Oder Metamaterialien, die in alle Richtungen schrumpfen, wenn sie in einer Richtung komprimiert werden», erklärt Kochmann.

Effiziente, optimale Materialgestaltung
Die Gestaltungsmöglichkeiten scheinen endlos. Das volle Potenzial von Metamaterialien hat die Wissenschaft allerdings noch lange nicht ausgeschöpft, da der Designprozess oft auf Erfahrung und Trial- and-Error beruht. Zudem können kleine Anpassungen in der Struktur zu großen Veränderungen der Eigenschaften führen.

In ihrer jüngsten Arbeit erkundeten die ETH-Forschenden mithilfe von KI systematisch die zahlreichen Designs und mechanischen Eigenschaften von zwei Metamaterialarten. Ihre Berechnungstools können auf Knopfdruck optimale Strukturen für gewünschte Verformungen vorhersagen. Hierzu verwendeten die Forschenden große Datensätze des Verformungsverhaltens realer Strukturen. Mit diesen trainierten sie ein KI-Modell, das die Daten nicht nur reproduziert, sondern auch neue Strukturen generieren und optimieren kann. Durch den Einsatz einer Methode, die als «Variational Autoencoder» bekannt ist, lernt die KI die wesentlichen Merkmale einer Struktur aus der großen Menge an Designparametern und wie sie zu bestimmten Eigenschaften führen. Sie nutzt anschließend dieses Wissen, um einen Metamaterial-Entwurf zu erstellen, sobald die Forschenden die gewünschten Eigenschaften und Anforderungen angeben.

Bausteine zusammensetzen
Li Zheng, eine Doktorandin in Kochmanns Gruppe, trainierte ein KI-Modell auf Basis eines Datensatzes von einer Million Strukturen und ihrer simulierten Verformung. «Stellen Sie sich eine riesige Kiste mit Legosteinen vor – man kann sie auf unzählige Arten anordnen und lernt mit der Zeit Designprinzipien. Ähnlich geht unsere KI vor, allerdings wesentlich effizienter. Sie setzt die Bausteine von Metamaterialien zusammen, um ihnen eine bestimmte Weichheit oder Härte zu verleihen», sagt Zheng. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen, bei denen Forschende einen Katalog von Bausteinen als Grundlage für das Design verwendeten, können sie mit der neuen KI-Methode Bausteine fast beliebig hinzufügen, entfernen oder verschieben. Zusammen mit Sid Kumar, Assistenzprofessor an der TU Delft und ehemaliges Mitglied von Kochmanns Team, zeigten sie in einer kürzlich veröffentlichten Studie, dass das KI-Modell über das hinausgehen kann, wofür es trainiert wurde, und Strukturen vorhersagen kann, die leistungsfähiger sind als alles bisher Generierte.

Von Videos lernen
Jan-Hendrik Bastek, der ebenfalls Doktorand in Kochmanns Gruppe ist, verfolgte einen anderen Ansatz, um ähnliches zu erreichen. Er verwendete eine Methode, die Videodiffusion heißt und auch bei der KI-basierten Videogenerierung benutzt wird: Tippt man «ein Elefant fliegt über Zürich» ein, generiert die KI ein realistisches Video des Tieres, das über der Fraumünsterkirche kreist. Bastek trainierte sein KI-System mit 50’000 Videosequenzen von sich verformenden 3D-druckbaren Metamaterial-Strukturen. «Ich kann der KI die gewünschte Verformung vorgeben und sie produziert ein Video der optimalen Materialstruktur sowie deren vollständige Verformungsreaktion», erklärt Bastek. Bisherige Ansätze haben sich meist darauf beschränkt, ein einziges Bild der optimalen Struktur vorherzusagen. Durch die Nutzung von Videos des gesamten Verformungsprozesses, erhöht sich die Genauigkeit deutlich in solch komplexen Szenarien.

Große Vorteile für Fahrradhelme und Schuhsohlen
Die ETH-Wissenschaftler:innen haben ihre KI-Tools Forschenden auf dem Gebiet der Metamaterialien frei zur Verfügung gestellt. Somit werden sie hoffentlich zum Entwurf vieler neuer und ungewöhnlicher Materialien führen. Die Tools eröffnen neue Wege für die Entwicklung von Schutzausrüstungen wie Fahrradhelmen und für weitere Anwendungen von Metamaterialien von der Medizintechnik bis hin zu weichen Robotern. Sogar Schuhsohlen können so gestaltet werden, dass sie beim Laufen Stöße besser absorbieren oder beim Auftreten einen Schub nach vorne geben. Wird die KI die manuelle Entwicklung von Materialien vollständig ersetzen? «Nein», lacht Kochmann. «Gut eingesetzt kann KI ein hocheffizienter und fleißiger Helfer sein, aber man muss ihr die richtigen Anweisungen geben und sie richtig trainieren – und das erfordert wissenschaftliche Grundlagen und ingenieurwissenschaftliches Knowhow.»

Quelle:

ETH Zürich

Feuerwehr Foto: 12019 at Pixabay
11.12.2023

Studie testet Feuerwehrschutzkleidung mit und ohne PFAS

Die Abwendung von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), die wasser- und ölabweisende Eigenschaften auf den Außenhüllen von Feuerwehrausrüstungen bieten, könnte laut einer neuen Studie der North Carolina State University zu Leistungseinbußen führen.

Die Studie zeigte, dass Schutzkleidung ohne PFAS-Außenbeschichtungen nicht ölabweisend ist, was eine potenzielle Entflammbarkeitsgefahr für Feuerwehrleute darstellt, wenn sie Öl und Flammen ausgesetzt sind, sagte Bryan Ormond, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der NC State University und korrespondierender Autor einer Publikation, das die Forschung erläutert.

Die Abwendung von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS), die wasser- und ölabweisende Eigenschaften auf den Außenhüllen von Feuerwehrausrüstungen bieten, könnte laut einer neuen Studie der North Carolina State University zu Leistungseinbußen führen.

Die Studie zeigte, dass Schutzkleidung ohne PFAS-Außenbeschichtungen nicht ölabweisend ist, was eine potenzielle Entflammbarkeitsgefahr für Feuerwehrleute darstellt, wenn sie Öl und Flammen ausgesetzt sind, sagte Bryan Ormond, Assistenzprofessor für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der NC State University und korrespondierender Autor einer Publikation, das die Forschung erläutert.

„Alle ölabweisenden Mittel können auch Wasser abweisen, aber nicht alle wasserabweisenden Mittel weisen zwangsläufig auch Öl ab“, so Ormond. „Dieselkraftstoff ist wirklich schwer abzustoßen, ebenso wie Hydraulikflüssigkeit; in unseren Tests stoßen PFAS-behandelte Materialien beides ab. So wies Schutzkleidung ohne PFAS in unseren Tests zwar Wasser ab, nicht aber Öl oder Hydraulikflüssigkeit.“

„Außerdem scheinen sich die Öle auf den PFAS-freien Kleidungsstücken noch mehr zu verteilen, was die Gefahr potenziell erhöht.“

PFAS-Chemikalien - wegen ihrer Langlebigkeit in der Umwelt als „Ewigkeits-Chemikalien“ bekannt - werden unter anderem in Lebensmittelverpackungen, Kochgeschirr und Kosmetika verwendet, wurden aber in letzter Zeit mit einem höheren Krebsrisiko, höheren Cholesterinwerten und einem geschwächten Immunsystem beim Menschen in Verbindung gebracht. Als Reaktion darauf haben Feuerwehrleute nach alternativen chemischen Verbindungen - wie der in der Studie verwendeten Kohlenwasserstoffwachsbeschichtung - für Schutzkleidung gesucht, die Wasser und Öl abweisen.

Die Forschenden der NC State University testeten nicht nur die öl- und wasserabweisenden Eigenschaften von PFAS-behandelter und PFAS-freier Oberbekleidung, sondern verglichen auch, wie die Oberteile bei berufsbedingten Belastungen wie Witterungseinflüssen, großer Hitze und wiederholtem Waschen alterten, und ob die Kleidungsstücke strapazierfähig blieben und Reißen und Zerreißen widerstanden.

Die Studie zeigte, dass mit PFAS behandelte und PFAS-freie Außenschalen nach der Einwirkung von UV-Strahlen und verschiedenen Wärme- und Feuchtigkeitsstufen sowie nach dem Durchlaufen von Heizgeräten - ähnlich wie bei einem Pizzaofen - und Waschmaschinen ähnlich abschnitten.

„Das Waschen der Ausrüstung ist aufgrund der Bewegung der Waschmaschine und der verwendeten Reinigungsmittel sehr schädlich für die Schutzkleidung“, so Ormond.

„Wir haben auch chemische Analysen durchgeführt, um zu sehen, was während des Verwitterungsprozesses passiert“, sagte Nur Mazumder, eine NC State-Doktorand in Faser- und Polymerwissenschaften und Hauptautor der Studie. „Verlieren wir die PFAS-Chemikalien, die PFAS-freien Chemikalien oder beides, wenn wir die Kleidungsstücke altern? Es stellte sich heraus, dass wir nach den Alterungstests erhebliche Mengen beider Ausrüstungen verloren haben.“

Beide Arten von Kleidungsstücken schnitten bei der Prüfung der Reißfestigkeit des Außenmaterials ähnlich ab. Die Forschenden sagen, dass die PFAS- und PFAS-freien Beschichtungen dieses Attribut nicht zu beeinflussen schienen.

Ormond sagte, dass künftige Forschungen untersuchen werden, wie viel Ölabweisungsvermögen die Feuerwehrleute im Einsatz benötigen.

„Selbst bei einer PFAS-Behandlung besteht ein Unterschied zwischen einem Flüssigkeitsspritzer und einer eingedrungenen Flüssigkeit“, so Ormond. „Trotz aller Vorteile ist mit PFAS behandelte Ausrüstung, wenn sie durchtränkt ist, für Feuerwehrleute gefährlich. Wir müssen uns also wirklich fragen: ,Was brauchen die Feuerwehrleute?‘ Wenn Sie keinen Bedarf an ölabweisender Ausrüstung haben, brauchen Sie sich keine Sorgen zu machen, auf PFAS-freie Ausrüstung umzusteigen. Aber die Feuerwehrleute müssen wissen, dass die Nicht-PFAS-Ausrüstung Öl absorbiert, unabhängig davon, um welche Öle es sich handelt.“

Andrew Hall, ein weiterer NC State-Doktorand der Faser- und Polymerwissenschaften und Mitverfasser der Studie, testet auch die dermale Absorption, d. h. er nimmt die gealterten Außenhüllenmaterialien und legt sie ein oder zwei Tage lang auf ein Hautsurrogat. Werden die Chemikalien der Außenhülle nach diesen zugegebenermaßen extremen Expositionszeiten vom Hautsurrogat absorbiert?

„Die Feuerwehrtätigkeit ist als krebserregend eingestuft, aber das sollte nicht so sein“, sagte Ormond. „Wie können wir bessere Ausrüstung für sie herstellen? Wie können wir bessere Beschichtungen und Strategien für sie entwickeln?“

„Das sind nicht einfach nur Textilien“, sagte Ormond. „Es sind hochentwickelte Materialien, die nicht einfach ersetzt werden können.“

Die Studie wurde im Journal of Industrial Textiles veröffentlicht. Finanziert wurde die Forschung durch das "Assistance to Firefighters Grants Program" der Federal Emergency Management Agency.

Quelle:

North Carolina State University, Mick Kulikowski

Bild von Tumisu auf Pixabay
06.12.2023

Antimikrobielle Beschichtung: Keime müssen draußen bleiben

Krankenhauskeime und Seuchenerreger werden nicht immer direkt von Mensch zu Mensch übertragen. Sie können sich auch über keimbelastete Gegenstände verbreiten. Empa-Forschende haben gemeinsam mit dem Chemiekonzern BASF, dem Labor Spiez und der Technischen Universität Berlin beschichtete Textilien entwickelt, die Krankheitserreger hemmen oder sogar abtöten. In Krankenhäusern könnten sie künftig als antimikrobielle Vorhänge eingesetzt werden.

Krankenhauskeime und Seuchenerreger werden nicht immer direkt von Mensch zu Mensch übertragen. Sie können sich auch über keimbelastete Gegenstände verbreiten. Empa-Forschende haben gemeinsam mit dem Chemiekonzern BASF, dem Labor Spiez und der Technischen Universität Berlin beschichtete Textilien entwickelt, die Krankheitserreger hemmen oder sogar abtöten. In Krankenhäusern könnten sie künftig als antimikrobielle Vorhänge eingesetzt werden.

Unzählige Male pro Tag berühren Patienten, Besucherinnen oder medizinisches Personal im Krankenhaus Oberflächen jeglicher Art. Dabei können diese Türgriffe, Geländer oder Liftknöpfe als Transportvehikel für Krankheitserreger wie Krankenhauskeime oder Viren dienen. Glatte Oberflächen lassen sich zwar nach einer Kontamination vergleichsweise einfach reinigen. Bei porösen Strukturen wie Textilien ist dies dagegen nicht so trivial. Dieses Problem haben Empa-Forschende zusammen mit Experten der BASF, des Labor Spiez und der Technischen Universität Berlin gelöst: Mit einem Beschichtungsverfahren können nun Stoffe so behandelt werden, dass bakterielle und virale Krankheitserreger abgetötet oder im Wachstum gehemmt werden. In Krnaknehäusern könnten die imprägnierten Textilien künftig beispielsweise als antimikrobiell-wirkende Vorhänge zwischen Patientenbetten eingesetzt werden.

Monatelang aktiv
«Wir haben ein Verfahren gesucht, das Keime zuverlässig daran hindert, Textilien zu kontaminieren, die während des Gebrauchs mit einer Vielzahl von Menschen in Kontakt kommen», erklärt Peter Wick vom «Particles-Biology Interactions» Labor der Empa in St. Gallen. So könne man Infektionsketten unterbrechen, bei denen sich etwa multiresistente Bakterien oder virale Krankheitserreger auf Spitalvorhängen festsetzen und sich dann von Menschen weitertragen lassen.

Die Forschenden entwickelten ein Beschichtungsverfahren, bei dem Benzalkoniumchlorid-haltiges Desinfektionsmittel gleichmässig in die Krankenhausvorhänge eingearbeitet wurde. Nachdem Variablen wie Konzentration, Einwirkzeit, Verarbeitungsdruck und Trocknung optimiert waren, haftete die Beschichtung stabil auf den Textilien. Ob die beschichteten Textilien auch keimtötend wirkten, sollten Analysen der antimikrobiellen Aktivität der ersten Stoffproben zeigen.

«Die Ergebnisse der Laboruntersuchungen waren sehr erfreulich», so Wick. Denn als die Bakterienkulturen einiger typischer Problemkeime mit den Stoffproben inkubiert wurden, hemmten die beschichteten Textilproben das Wachstum beispielsweise von Staphylokokken und Pseudomonas-Bakterien. «Die Spitalkeime wurden bereits nach zehn Minuten deutlich reduziert oder sogar abgetötet», so der Empa-Forscher. Außerdem war die Beschichtung auch gegen virale Erreger aktiv: Über 99 Prozent der untersuchten Viren konnten durch die beschichteten Stoffproben abgetötet werden.

Auch nach mehrmonatiger Lagerung blieben die Beschichtungen wirksam. Dies erlaubt eine Produktion auf Vorrat. Mit dem neuen Verfahren könnten künftig zudem auch andere Textilien respektive Filter oder Reinigungsutensilien bei Bedarf zügig und sicher antimikrobiell ausgerüstet werden, etwa bei einer anrollenden Epidemie, betont Empa-Forscher Wick.

Quelle:

EMPA

JUMBO-Textil Produktion © JUMBO-Textil GmbH & Co. KG
28.11.2023

Interview JUMBO-Textil: „Führung heißt bei uns Teamentwicklung.“

JUMBO-Textil steht mit seinen hochwertigen technischen Schmaltextilien für Hightech – egal ob gewebt, geflochten oder gewirkt. Als Elastic-Spezialist und Lösungspartner entwickelt und produziert das Unternehmen individuelle Innovationen für Kunden weltweit. Das 70 Personen umfassende starke Team muss so vielfältig und flexibel sein wie die Produkte, die es konzipiert. Textination sprach mit dem  Wirtschaftsingenieur Carl Mrusek über die aktuellen Herausforderungen für Familienunternehmen. Carl Mrusek, seit einem knappen Jahr Chief Sales Officer (CSO) in der Textation Group GmbH & Co KG, zu der JUMBO-Textil gehört, verantwortet neben anderen Aufgabenbereichen auch die strategische Unternehmensentwicklung.

 

JUMBO-Textil steht mit seinen hochwertigen technischen Schmaltextilien für Hightech – egal ob gewebt, geflochten oder gewirkt. Als Elastic-Spezialist und Lösungspartner entwickelt und produziert das Unternehmen individuelle Innovationen für Kunden weltweit. Das 70 Personen umfassende starke Team muss so vielfältig und flexibel sein wie die Produkte, die es konzipiert. Textination sprach mit dem  Wirtschaftsingenieur Carl Mrusek über die aktuellen Herausforderungen für Familienunternehmen. Carl Mrusek, seit einem knappen Jahr Chief Sales Officer (CSO) in der Textation Group GmbH & Co KG, zu der JUMBO-Textil gehört, verantwortet neben anderen Aufgabenbereichen auch die strategische Unternehmensentwicklung.

 

„In einem Familienunternehmen sind Traditionen das Fundament, Innovationen der Weg nach vorne“, sagt man. Das Image familiengeführter Unternehmen hat sich in den letzten Jahren deutlich gewandelt – altmodische Wertvorstellungen und überholte Wirtschaftskonzepte sind einer starken Firmenkultur, hohem regionalen Verantwortungsgefühl und nachhaltigem Planen gewichen. Wie verknüpft JUMBO-Textil seine Unternehmenswerte und Traditionen mit einem zeitgemäßen Führungsstil?

Carl Mrusek: Als Familienunternehmen besteht eine enge Bindung der Mitarbeiter*innen an das Unternehmen und umgekehrt, die Kontinuität der menschlichen Beziehungen ist wichtig und wertvoll. Bei JUMBO-Textil hat darüber hinaus vor allem eines Tradition: zeitgemäße Unternehmensführung, und zwar sowohl technisch und fachlich als auch mit Blick auf Führungsstil und Werte. Denn gerade in einem Familienunternehmen, das ja oft über Jahrzehnte von derselben Person geführt wird, ist es entscheidend, Unternehmenswerte und Führungsstil zu hinterfragen und Wandel zu fördern. Ein Unternehmen, das seit bald 115 Jahren international erfolgreich agiert, muss anpassungsfähig sein. Auf Veränderungen schnell zu reagieren, sie sogar vorauszusehen und entsprechend voranzugehen, das ist für uns Kern klugen wirtschaftlichen Handelns. Die Spezialisierung hin zu Elastics in den 20er-Jahren des letzten Jahrhunderts ist ein Beispiel für die vorausschauende Veränderungskraft, aber auch die strategisch wichtige Hinwendung zu technischen Textilien in den 70er-Jahren. Aus der jüngsten Zeit ließe sich das Zusammengehen mit der vombaur GmbH & Co. KG unter das Dach der Textation Group nennen.

Das Wichtigste in jedem Unternehmen sind seine Mitarbeiter*innen. Mit überkommenen Traditionen und Arbeitsweisen würden wir sie nicht gewinnen und halten können. Bei uns steht nicht die Unternehmensleitung im Zentrum, sondern der gemeinsame Erfolg, und der ist in einer komplexen Welt in der Regel das Ergebnis einer gelungenen Zusammenarbeit und nicht einer Ansage des Chefs. Führung heißt – klar – strategische Ziele setzen und verfolgen, heißt heute aber auch: Teamentwicklung. Die besten Menschen zu finden, zusammenzubringen und für das Ziel zu motivieren.

 

Team-Gedanke und Leitbild-Entwicklung: Wie gelingt Ihnen das bei JUMBO-Textil? 

Carl Mrusek: Im Team! JUMBO-Textil hat seine Führungsebene gezielt verbreitert. Neben dem Geschäftsführer, unserem CEO Andreas Kielholz, arbeiten hier der Chief Operational Officer Patrick Kielholz, der Chief Financial Officer Ralph Cammerath, der Chief Technology Officer Dr. Sven Schöfer und ich selbst als Chief Sales Officer. Das zeigt, dass wir vom Kooperationsgedanken überzeugt sind: Auch an der Unternehmensentwicklung und in strategischen Fragen arbeiten wir gemeinsam. Genauso in den einzelnen Teams – in organisatorischen Fachteams oder in interdisziplinären Projektteams. Die Aufgaben, für die wir zuständig sind, mögen unterschiedlich sein, aber jede ist gleich wichtig.

 

Deshalb auch starten Sie die Vorstellung der Ansprechpartner*innen auf Ihrer Website mit dem Junior Sales Manager? Und die Vertreter der C-Ebene stehen am Ende?

Carl Mrusek: Ja. Alle JUMBO-Textil-Köpfe sind für uns der Kopf des Unternehmens. Alle JUMBO-Textil-Gesichter repräsentieren das Unternehmen. Das spiegelt sich auch an der Reihenfolge der Ansprechpartner*innen auf der Website wider. Die Besucher*innen sollen hier schnell die Person finden, die ihnen weiterhelfen kann, und nicht erfahren, wer das Unternehmen leitet. Dafür gibt es das Impressum. (lacht)

 

Wie sehen das Leitbild von JUMBO-Textil und seine Vision für die Zukunft aus, und was muss sich verändern, um die Vision zu erreichen?

Carl Mrusek: Wir arbeiten aktuell an der strategischen Ausrichtung der Textation Group, zu der die JUMBO-Textil GmbH & Co. KG sowie die vombaur GmbH & Co. KG gehören. In diesem Zusammenhang haben wir die Unternehmensvision und -mission der Gruppe erarbeitet und unser Leitbild aktualisiert. Dies dient als Fundament für die Strategieentwicklung und gelingt nur dann nachhaltig, wenn Mitarbeiter*innen über Umfragen und Workshops in diesem Prozess eingebunden sind. Ich möchte noch nicht zu viel verraten, aber so viel steht bereits: Starke Teams, die richtigen Personen am richtigen Platz, Verantwortungsübernahme auf allen Ebenen, Nachhaltigkeit als Grundlage für Innovation – das werden die vier Eckpfeiler sein. Daran lässt sich bereits ablesen: Um unsere Vision zu erreichen, können wir nicht einen Schalter umlegen. Wir müssen stets veränderungsfreudig bleiben, immer wieder neu – von der Produktentwicklung bis zur Personalgewinnung. Aber das hat bei uns ja wie gesagt Tradition.

 

JUMBO-Textil ist kein Branchenspezialist, sondern bündelt Kompetenzen für anspruchsvolle Hightech-Schmaltextilien. Wer hat bei herausfordernden Kundenprojekten das Sagen – entscheiden Sie im Team oder eher top-down, wo ist die Verantwortung für einen Auftrag angesiedelt?

Carl Mrusek: Wir entscheiden im Team darüber, welche Projekte wir realisieren bzw. mit welcher Priorisierung sie angegangen werden. Dabei gibt die Unternehmensstrategie die „Stoßrichtung“ vor. Neben der vertrieblichen spielt auch die entwicklungsseitige Betrachtung von neuen Projekten eine entscheidende Rolle. Ich stimme mich deshalb intensiv mit Dr. Sven Schöfer (CTO) und seinem Team ab, da hier die technische Entwicklung und Umsetzung unserer Produkte im Fokus steht. Die Projektbearbeitung ist final immer eine Teamleistung von Vertrieb und Entwicklung in enger Zusammenarbeit mit der Produktion.

 

Zwischen übertariflichen Vergütungen, einer 4-Tage-Woche und der vielbeschworenen Work-Life-Balance – in der aktuellen Situation auf dem Arbeitsmarkt sind eher die Unternehmen in der Bewerbersituation als umgekehrt. Was tun Sie, um als Arbeitgeber für neue Kollegen und Kolleginnen attraktiv zu bleiben? Und wie halten Sie die Einsatzfreude Ihrer Fachkräfte auf gleichbleibend hohem Niveau?

Carl Mrusek: Ein wichtiger Ansatz bei uns ist die Ausbildung. Junge Menschen auszubilden und ihnen während der Ausbildung zu beweisen: JUMBO-Textil ist dein Place-to-be. Wir beginnen also bereits durch unsere Schulbesuche und Schulpraktika mit der Fachkräftegewinnung. Als hochmodernes Unternehmen bieten wir ein attraktives Gehaltsniveau und ein angenehmes und gesundes Arbeitsumfeld.

Bewerber*innen möchten heute darüber hinaus oft auch ihre Arbeitsform und ihre Arbeitszeiten individuell und flexibel gestalten, aus ganz unterschiedlichen Gründen. Mit modernen Arbeitsmodellen und dank unserer laufenden Digitalisierungsfortschritte unterstützen wir sie dabei, wo immer es möglich ist. Außerdem möchten die Menschen für ein Unternehmen arbeiten, mit dem sie sich identifizieren können. Umwelt- und Klimaschutz sind unseren Mitarbeiter*innen und Bewerber*innen ebenso wichtig wie Sozialstandards in unserer Lieferkette. Dass wir uns mit unserer Nachhaltigkeitsstrategie ehrgeizige Ziele gesetzt haben und sie mit fest terminierten Schritten konsequent verfolgen – unsere klimaneutrale Energiegewinnung ist ein konkretes bereits realisiertes Beispiel –, dass wir unsere Geschäftspartner mit Nachdruck dazu aktivieren, die Menschen- und Arbeitnehmerrechte zu beachten und uns zum Code of Conduct der deutschen Textil- und Modeindustrie bekennen, all das hilft uns deshalb auch bei der Personalgewinnung.

 

Was größere, kapitalintensivere Unternehmen teilweise durch Finanzmittel wettmachen können, muss der Mittelstand – insbesondere in Krisensituationen – durch Agilität und Anpassungsfähigkeit stemmen. Inwiefern spiegeln sich diese Anforderungen auch in Ihrer Organisationsstruktur und dem Anforderungsprofil für Beschäftigte wider?

Carl Mrusek: Genau, das ist der Vorteil, den Familienunternehmen gegenüber großen Konzernen mitbringen und ausspielen können: Wir können schnell entscheiden und wenn nötig tagesaktuell reagieren. Die Hierarchien sind flach, Abstimmungsprozesse kurz. Ein spannender Vorschlag muss nicht erst durch Agenturen schick aufbereitet und über etliche Ebenen abgestimmt werden, bis er durch die Geschäftsführung abgesegnet ist und umgesetzt werden kann. Das Okay kann auch sofort beim Mittagessen kommen: „Super Idee, das machen wir.“ In einem Konzern scheitert das schon daran, dass nur die wenigsten Mitarbeiter*innen die Chance haben, mit der Geschäftsleitung an einem Tisch zu Mittag zu essen. – Wobei wir dabei nur im Ausnahmefall über das Geschäft sprechen. Meistens dreht es sich in der Pause um Familie, Wetter, Sport- und Freizeitpläne, Mittagsthemen eben. – Wir brauchen dafür verantwortungsvolle und veränderungsbereite Teamplayer. Menschen, die auf Augenhöhe mit anderen zusammenarbeiten, sich mit Schwung und Kompetenz für das Unternehmen und seine Ziele einsetzen und Lust auf Neues haben.

 

Um aktuelle und potenzielle Mitarbeitende begeistern zu können, braucht es inzwischen deutlich mehr als Obstkorb und Fitnessstudio. Sinnstiftend zu arbeiten, sich an einer klimafreundlichen Transformation zu beteiligen, ist vielen Menschen besonders wichtig. Was macht JUMBO-Textil konkret, um SDGs nicht nur in einem Statement zu zitieren, sondern im Unternehmensalltag zu leben?

Carl Mrusek: Wir haben uns ein konkretes Klima-Ziel gesetzt: Bis 2035 arbeiten wir in unserer Zentrale in Verwaltung und Produktion klimaneutral. Realistische Schritte wurden hierfür definiert. Ein wichtiges Zwischenziel haben wir schon erreicht: In unserer Zentrale in Sprockhövel nutzen wir ausschließlich Öko-Strom aus Sonne, Wind und Wasser. Die noch unvermeidlichen Emissionen für unsere Wärmegewinnung gleichen wir mit CO2-Kompensationsleistungen aus. Außerdem entwickeln wir immer mehr Produkte aus recyclebaren und recycelten Materialien. Unsere Fahrzeugflotte wird aktuell auf rein elektrisch bzw. hybrid angetriebene Modelle umgestellt.

 

Diversifikation und Internationalisierung sind heutzutage Bestandteil jeder Unternehmensstrategie. Doch was bedeuten diese Begriffe für den Führungsstil eines Mittelständlers in Sprockhövel? Bauen Sie bewusst interdisziplinäre internationale Teams auf?

Carl Mrusek: Wir leben in einer hyperdiversen Gesellschaft. Das bildet sich auch in unserem Unternehmen ab. Unsere Teams setzen sich, ganz ohne dass wir das steuern müssten, aus Menschen mit unterschiedlichen internationalen Hintergründen zusammen. Auch die Altersstruktur ist inzwischen sehr durchmischt. Die unterschiedlichen Perspektiven sehen wir als Gewinn, als Chance und Erfolgsfaktor. Wir – und das bedeutet letztlich unsere Kunden und deren Projekte – profitieren von der Vielzahl der Blickwinkel, die in unsere Lösungen einfließen. Der Frauenanteil ist – wie bei vielen Unternehmen im Bereich technischer Textilien – in manchen Teams noch etwas unausgewogen. Doch er steigt erfreulicherweise kontinuierlich an.

 

Generationenwechsel und Nachfolgeplanung sind Kernthemen familiengeführter Unternehmen. Wie wichtig ist JUMBO-Textil die Professionalisierung seiner Führungsriege, und inwiefern ist das Unternehmen offen für externe Fachkräfte und Manager?

Carl Mrusek: Ein Unternehmen, das sich externen Fach- und Führungskräften gegenüber verschließt, verschließt sich damit auch eine Tür zum Erfolg. Das wäre töricht. Die enge Bindung, persönliche Kontinuität und Flexibilität eines familiengeführten Unternehmens, die Leidenschaft und Innovationslust eines Start-ups und die Solidität und Finanzkraft eines Konzerns – all das versuchen wir bei JUMBO-Textil zu verbinden und auszubalancieren. Mit Patrick Kielholz als COO ist die nächste Generation der Familie in der Führungsebene ebenso vertreten wie der externe Blick und die Vielfalt der Perspektiven durch die weiteren neuen Mitglieder im C-Level. Die Textation Group, zu der mit Kevin Kielholz auch der Bruder von Patrick Kielholz gehört, stützt das Unternehmen und ermöglicht es, größer zu denken und zu agieren, als mittelständische Familienunternehmen es sonst oft tun. JUMBO-Textil ist Elastic-Spezialist. Und was unser Produkt auszeichnet, das zeichnet uns auch als Organisation aus. Wir umspannen die Vorteile des Familienunternehmens ebenso wie die des Start-ups und des Konzerns. Wenn ich das Bild der Elastizität hier nutzen darf und es nicht überstrapaziere. (lacht)

Berndt Köll am Stubaier Gletscher: Erste Feldversuche zeigten überzeugende Ergebnisse. (c) Lenzing AG
22.11.2023

Gletscherschutz neu gedacht: Vlies aus biologisch abbaubaren Fasern

Schutz von Schnee und Eis: Cellulosische LENZING™ Fasern sorgen für nachhaltigen Erhalt von Gletschermasse.

Schutz von Schnee und Eis: Cellulosische LENZING™ Fasern sorgen für nachhaltigen Erhalt von Gletschermasse.

In Feldversuchen auf österreichischen Gletschern werden Vliese aus cellulosischen LENZING™ Fasern für die Abdeckung von Gletschermasse genutzt. Diese zeigen vielversprechende Ergebnisse und bieten eine nachhaltige Lösung zum Gletscherschutz. Bisher verwendete, erdölbasierte Vliese können negative Umweltfolgen wie etwa Mikroplastikverschmutzung nach sich ziehen.
 
Geotextilien werden bereits vielfach genutzt, um Schnee und Eis auf Gletschern vor der Schmelze zu bewahren. Mit dem Einsatz von Vliesen aus biologisch abbaubaren LENZING™ Fasern gelingt nun eine nachhaltige Wende. Lenzing - Geotextilien zeigten in Österreich bereits Erfolge beim Schutz der von der Klimaerwärmung stark gefährdeten Gletscher. Durch das Abdecken von Gletschermasse wird dessen Schmelze verlangsamt und gemildert. Die verwendeten Vliese wurden bisher aus erdölbasierten Fasern hergestellt. Nach dem Sommer zurückbleibendes Mikroplastik fließt über die Bäche ins Tal und kann durch kleine Organismen und Tierchen in die Nahrungskette gelangen.

Nachhaltig von der Herstellung bis zur Weiterverwendung
Eine innovative und nachhaltige Lösung für den Schutz von Schnee und Eis gelingt nun mithilfe von Vliesen, die aus Fasern der Marke LENZING™ gefertigt werden. „LENZING™ Fasern werden aus erneuerbaren, verantwortungsvoll bewirtschafteten Holzquellen gewonnen und in einem umweltfreundlichen Verfahren hergestellt. Dank ihres botanischen Ursprungs sind sie in der Lage, sich abzubauen und nach ihrer Verwendung in die Natur zurückzukehren“, erklärt Berndt Köll, Business & Innovation Manager bei Lenzing.
 
Bei einem Feldversuch am Stubaier Gletscher wurde die Abdeckung eines kleinen Bereichs mit dem neuen Material erstmals getestet. Das Ergebnis überzeugte: Vier Meter Eismasse konnte vor der Schmelze bewahrt werden. Aufgrund des Erfolgs wird das Projekt nun ausgeweitet. Es starteten bereits in diesem Jahr Feldversuche auf allen österreichischen, touristisch genutzten Gletschern.
 
„Wir freuen uns über die positiven Resultate und sehen das Projekt als zukunftsfähige Lösung für den Gletscherschutz – und das nicht nur in Österreich, sondern über die Landesgrenzen hinaus“, so Berndt Köll weiter. Der nachhaltige Gedanke soll sich auch nach dem Einsatz der Vliese fortsetzen: Anschließend an den Gebrauch könnten die Geotextilien wieder recycelt und schließlich zur Herstellung von Garn für Textilprodukte verwendet werden.

Ausgezeichnet mit dem BIO TOP Award
Der nachhaltige Gletscherschutz und dessen Ergebnisse überzeugen auch die Jury aus Branchenexpert:innen des BIO TOP Award, einem bedeutenden Preis für Holz- und Materialinnovationen in der Schweiz. Im Rahmen dessen werden neuartige Projekte im Bereich biobasierter Hölzer und Materialien gefördert und unterstützt. Bei der Preisverleihung am 20. September 2023 wurde die nachhaltige Lösung der Geotextilien aus LENZING™ Fasern mit dem Award ausgezeichnet.

Quelle:

Lenzing AG

LED-Kleid verbindet 3D-Druck und futuristische Mode Fotos von Natalie Cartz , Model Perpetua Sermsup Smith, Make-Up Artist Yaying Zheng
20.11.2023

LED-Kleid verbindet 3D-Druck und futuristische Mode

  • Die Designerin Anouk Wipprecht kooperiert mit Chromatic 3D Materials und entwickelt ein leuchtendes, bewegungsaktiviertes Display.

Chromatic 3D Materials, ein Unternehmen für 3D-Drucktechnologie, und die niederländische Hightech-Modedesignerin Anouk Wipprecht haben ein neues futuristisches 3D-gedrucktes Kleid vorgestellt, das über LEDs auf seine Umgebung reagiert. Das bewegungsaktivierte Design ist eines der ersten Kleidungsstücke der Welt, bei dem Elektronik direkt in 3D-gedruckte Elastomere eingebettet ist. Es veranschaulicht, wie die Zukunft des kreativen Schaffens und der sozialen Interaktion aussehen könnten, wenn der Mensch weiter mit der Technologie verschmilzt. Wipprechts Entwurf wurde auf der Formnext, der Veranstaltung zum 3D-Druck in Deutschland, präsentiert.

  • Die Designerin Anouk Wipprecht kooperiert mit Chromatic 3D Materials und entwickelt ein leuchtendes, bewegungsaktiviertes Display.

Chromatic 3D Materials, ein Unternehmen für 3D-Drucktechnologie, und die niederländische Hightech-Modedesignerin Anouk Wipprecht haben ein neues futuristisches 3D-gedrucktes Kleid vorgestellt, das über LEDs auf seine Umgebung reagiert. Das bewegungsaktivierte Design ist eines der ersten Kleidungsstücke der Welt, bei dem Elektronik direkt in 3D-gedruckte Elastomere eingebettet ist. Es veranschaulicht, wie die Zukunft des kreativen Schaffens und der sozialen Interaktion aussehen könnten, wenn der Mensch weiter mit der Technologie verschmilzt. Wipprechts Entwurf wurde auf der Formnext, der Veranstaltung zum 3D-Druck in Deutschland, präsentiert.

Wipprechts avantgardistisches Design verdeutlicht das Potenzial der 3D-Drucktechnologie und des Chroma-Flow 70™-Materials von Chromatic für die kommerzielle Nutzung. Die Designerin verwendete 3D-Druck, um fast 75 flexible LED-Kuppeln ohne Klebstoff oder Nähte auf dem Stoff des Kleides zu befestigen. Diese Fähigkeit könnte zur Herstellung von innovativer Laufbekleidung, Taschen, Schuhen und anderen Produkten genutzt werden, z. B. für die Innenausstattung von Fahrzeugen und in der Luft- und Raumfahrt, für Outdoor-Freizeitausrüstung und persönliche Schutzausrüstung.

Das besondere Kleidungsstück demonstriert auch die Flexibilität der Materialien von Chromatic. Im Gegensatz zu anderen 3D-gedruckten Materialien, die in der Regel spröde und hart sind, besteht das Kleid aus ChromaFlow 70™, einem biegsamen, hitzebeständigen Material, das sich um mehr als das Vierfache seiner Länge dehnen kann, ohne zu reißen. Durch diese Flexibilität eignet es sich zum Hinzufügen weicher und nahtloser struktureller, funktionaler und ästhetischer Elemente, die für Intim- und Freizeitkleidung, Sport- und Badebekleidung und andere Kleidungsstücke geeignet sind, bei denen Komfort, Silhouette und Haltbarkeit von entscheidender Bedeutung sind.

„Die Verwendung der 3D-Materialien von Chromatic für den Druck bietet zahlreiche Optionen für die Modeindustrie. Für Designer wie mich, die Elektronik in ihre Kreationen einbauen, bietet es eine einzigartige Möglichkeit, elektronische Teile in den Druckprozess einzubetten und zu sichern", sagt Anouk Wipprecht. "Dies ist mein bisher tragbarstes - und waschbarstes - 3D-gedrucktes Kleid! Da die Elektronik eingeschlossen ist, erlaubt mir das Material, meine LED-Lichter zu streuen, und das Elastomer ist sowohl flexibel als auch stark - und lässt sich daher hervorragend mit Stoffen verbinden.“

„Diese Zusammenarbeit ist mehr als eine Partnerschaft - sie ist eine Vision, die zum Leben erwacht. Indem wir die Genialität von Anouk Wipprecht mit unserem innovativen 3D-Druck verbinden, setzen wir einen Präzedenzfall für die Zukunft der Mode. Wir begeben uns auf eine Reise, die die grenzenlose Integration von Technologie und Kunst verstärkt und Türen für unendliche Möglichkeiten und Anwendungen in der Textil- und Modeindustrie öffnet", sagt Cora Leibig, Gründerin und CEO von Chromatic 3D Materials.

Quelle:

Chromatic 3D Materials

06.11.2023

Wandlungsfähige Stoffe aus formverändernden Fasern

Die kostengünstige FibeRobo, die mit bestehenden Textilherstellungstechniken kompatibel ist, könnte für adaptive Funktionsbekleidung oder Kompressionskleidung verwendet werden.

Forscher des MIT und der Northeastern University haben eine Flüssigkristall-Elastomerfaser entwickelt, die ihre Form als Reaktion auf thermische Reize verändern kann. Die Faser, die mit bestehenden Textilherstellungsmaschinen vollständig kompatibel ist, könnte zur Herstellung von sich wandelnden Textilien verwendet werden, z. B. für eine Jacke, die bei sinkenden Temperaturen stärker isoliert, um den Träger warm zu halten.

Stellen Sie sich vor, Sie bräuchten nicht mehr für jede Jahreszeit einen Mantel, sondern eine Jacke, die ihre Form dynamisch verändert, so dass sie bei sinkenden Temperaturen isolierender wird und Sie warmhält.

Die kostengünstige FibeRobo, die mit bestehenden Textilherstellungstechniken kompatibel ist, könnte für adaptive Funktionsbekleidung oder Kompressionskleidung verwendet werden.

Forscher des MIT und der Northeastern University haben eine Flüssigkristall-Elastomerfaser entwickelt, die ihre Form als Reaktion auf thermische Reize verändern kann. Die Faser, die mit bestehenden Textilherstellungsmaschinen vollständig kompatibel ist, könnte zur Herstellung von sich wandelnden Textilien verwendet werden, z. B. für eine Jacke, die bei sinkenden Temperaturen stärker isoliert, um den Träger warm zu halten.

Stellen Sie sich vor, Sie bräuchten nicht mehr für jede Jahreszeit einen Mantel, sondern eine Jacke, die ihre Form dynamisch verändert, so dass sie bei sinkenden Temperaturen isolierender wird und Sie warmhält.

Eine von einem interdisziplinären Team von MIT-Forschern entwickelte programmierbare Antriebsfaser könnte diese Vision eines Tages Wirklichkeit werden lassen. Die als FibeRobo bezeichnete Faser zieht sich bei einem Temperaturanstieg zusammen und kehrt sich dann selbst um, wenn die Temperatur sinkt - ohne eingebettete Sensoren oder andere feste Komponenten.

Die kostengünstige Faser ist voll kompatibel mit Textilherstellungstechniken, einschließlich Webmaschinen, Stickereien und industriellen Strickmaschinen, und kann kontinuierlich kilometerweise produziert werden. Dies könnte es Designern ermöglichen, eine breite Palette von Stoffen für unzählige Anwendungen mit Antriebs- und Sensorfunktionen auszustatten.

Die Fasern können auch mit einem leitfähigen Faden kombiniert werden, der als Heizelement wirkt, wenn elektrischer Strom durch ihn fließt. Auf diese Weise werden die Fasern durch Elektrizität aktiviert, was dem Nutzer eine digitale Kontrolle über die Form des Textils ermöglicht. So könnte ein Stoff beispielsweise seine Form auf der Grundlage digitaler Informationen, wie den Messwerten eines Herzfrequenzsensors, verändern.

„Wir verwenden Textilien für alles. Wir bauen Flugzeuge aus Faserverbundwerkstoffen, wir kleiden die Internationale Raumstation mit einem Strahlenschutzgewebe aus, wir verwenden sie für individuelle Bekleidung und Funktionsbekleidung. Vieles in unserer Umwelt ist anpassungsfähig und reaktionsfähig, aber das, was am anpassungsfähigsten und reaktionsfähigsten sein muss - Textilien - ist völlig träge“, sagt Jack Forman, Doktorand in der Tangible Media Group des MIT Media Lab, der auch am Center for Bits and Atoms tätig ist, und Hauptautor einer Arbeit über die aktivierende Faser.

An dem Papier arbeiten 11 weitere Forscher des MIT und der Northeastern University mit, darunter seine Berater Professor Neil Gershenfeld, der das Center for Bits and Atoms leitet, und Hiroshi Ishii, der Jerome B. Wiesner Professor of Media Arts and Sciences und Leiter der Tangible Media Group. Die Forschungsergebnisse werden auf dem ACM Symposium on User Interface Software and Technology vorgestellt.

Sich verwandelnde Materialien
Die MIT-Forscher wollten eine Faser, die sich geräuschlos bewegen und ihre Form drastisch verändern kann und gleichzeitig mit den üblichen Textilherstellungsverfahren kompatibel ist. Um dies zu erreichen, verwendeten sie ein Material, das als Flüssigkristall-Elastomer (LCE) bekannt ist.

Ein Flüssigkristall besteht aus einer Reihe von Molekülen, die wie eine Flüssigkeit fließen können, aber wenn sie sich absetzen, stapeln sie sich zu einer periodischen Kristallanordnung. Die Forscher bauen diese Kristallstrukturen in ein Elastomernetzwerk ein, das dehnbar ist wie ein Gummiband.

Wenn sich das LCE-Material erwärmt, geraten die Kristallmoleküle aus ihrer Ausrichtung und ziehen das Elastomernetzwerk zusammen, wodurch sich die Faser zusammenzieht. Wenn die Hitze weggenommen wird, kehren die Moleküle in ihre ursprüngliche Ausrichtung zurück und das Material erhält seine ursprüngliche Länge, erklärt Forman.

Durch sorgfältiges Mischen von Chemikalien zur Synthese der LCE können die Forscher die endgültigen Eigenschaften der Faser steuern, z. B. ihre Dicke oder die Temperatur, bei der sie aktiviert wird.

Sie perfektionierten eine Präparationstechnik, mit der LCE-Fasern hergestellt werden können, die bei hautverträglichen Temperaturen aktiviert werden können, so dass sie sich für tragbare Stoffe eignen.

"Es gibt viele Knöpfe, an denen wir drehen können. Es war eine Menge Arbeit, dieses Verfahren von Grund auf neu zu entwickeln, aber letztendlich gibt es uns viel Freiheit für die entstehende Faser", fügt er hinzu.

Die Forscher stellten jedoch fest, dass die Herstellung von Fasern aus LCE-Harz ein heikler Prozess ist. Bestehende Techniken führen oft zu einer verschmolzenen Masse, die sich nicht abspulen lässt.

Die Forscher untersuchen auch andere Möglichkeiten zur Herstellung funktioneller Fasern, wie z. B. die Einarbeitung von Hunderten von mikroskopisch kleinen digitalen Chips in ein Polymer, die Verwendung eines aktivierten Fluidiksystems oder die Einbeziehung von piezoelektrischem Material, das Schallschwingungen in elektrische Signale umwandeln kann.

Faserherstellung
Forman baute eine Maschine mit 3D-gedruckten und lasergeschnittenen Teilen und einfacher Elektronik, um die Herausforderungen bei der Herstellung zu meistern. Er baute die Maschine zunächst im Rahmen des Graduiertenkurses MAS.865 (Rapid-Prototyping of Rapid-Prototyping Machines: How to Make Something that Makes [almost] Anything).

Zu Beginn wird das dicke und zähflüssige LCE-Harz erhitzt und dann langsam durch eine Düse wie bei einer Klebepistole gepresst. Wenn das Harz austritt, wird es sorgfältig mit UV-Lichtern ausgehärtet, die auf beide Seiten der langsam extrudierenden Faser leuchten. Ist das Licht zu schwach, trennt sich das Material und tropft aus der Maschine, ist es jedoch zu hell, können sich Klumpen bilden, was zu unebenen Fasern führt.

Dann wird die Faser in Öl getaucht, um ihr eine gleitfähige Beschichtung zu verleihen, und erneut ausgehärtet, diesmal mit voll aufgedrehtem UV-Licht, wodurch eine starke und glatte Faser entsteht. Schließlich wird die Faser auf eine Spule aufgewickelt und in Pulver getaucht, damit sie leicht in die Maschinen für die Textilherstellung gleiten kann.

Von der chemischen Synthese bis zur fertigen Spule dauert der Prozess etwa einen Tag und ergibt etwa einen Kilometer gebrauchsfertige Faser. „Am Ende des Tages will man keine Diva-Faser. Man möchte eine Faser, die sich bei der Arbeit mit ihr in das Ensemble der Materialien einfügt - eine Faser, mit der man wie mit jedem anderen Fasermaterial arbeiten kann, die aber eine Menge aufregender neuer Möglichkeiten bietet“, sagt Forman.

Die Entwicklung einer solchen Faser erforderte eine Menge „trial and error“ sowie die Zusammenarbeit von Forschern mit Fachwissen in vielen Disziplinen, von der Chemie über den Maschinenbau und die Elektronik bis hin zum Design. Die so entstandene Faser mit dem Namen FibeRobo kann sich um bis zu 40 Prozent zusammenziehen, ohne sich zu krümmen, sie kann bei hautverträglichen Temperaturen aktiviert werden (die hautverträgliche Version der Faser zieht sich um bis zu 25 Prozent zusammen) und sie kann mit einer kostengünstigen Anlage für 20 Cent pro Meter hergestellt werden, was etwa 60-mal billiger ist als handelsübliche formverändernde Fasern. Die Faser kann sowohl in industrielle Näh- und Strickmaschinen als auch in nicht-industrielle Verfahren wie Handwebstühle oder manuelles Häkeln integriert werden, ohne dass eine Prozessänderung erforderlich ist.

Die MIT-Forscher haben mit FibeRobo mehrere Anwendungen demonstriert, darunter einen adaptiven Sport-BH, der durch Stickerei hergestellt wird und sich strafft, wenn die Trägerin mit dem Training beginnt. Sie verwendeten auch eine industrielle Strickmaschine, um eine Kompressionsweste für den Hund von Forman, der Professor heißt, herzustellen. Die Jacke wird über ein Bluetooth-Signal von Formans Smartphone aktiviert und „umarmt“ den Hund. Kompressionswesten werden üblicherweise verwendet, um die Trennungsangst eines Hundes zu lindern, wenn sein Besitzer nicht zu Hause ist.

In Zukunft wollen die Forscher die chemischen Komponenten der Faser so anpassen, dass sie recycelbar oder biologisch abbaubar ist. Darüber hinaus wollen sie den Prozess der Polymersynthese vereinfachen, so dass auch Nutzer ohne Nasslaborerfahrung ihn selbst durchführen können.

Forman ist gespannt auf die FibeRobo-Anwendungen, die andere Forschungsgruppen auf der Grundlage dieser frühen Ergebnisse entwickeln. Langfristig hofft er, dass FibeRobo zu einem Produkt wird, das man wie ein Garnknäuel im Bastelladen kaufen kann und mit dem sich leicht veränderliche Stoffe herstellen lassen.

„LCE-Fasern erwachen zum Leben, wenn sie in Funktionstextilien integriert werden. Es ist besonders faszinierend zu beobachten, wie die Autoren kreative Textildesigns mit einer Vielzahl von Web- und Strickmustern entwickelt haben“, sagt Lining Yao, der Cooper-Siegel Associate Professor of Human Computer Interaction an der Carnegie Mellon University, der jedoch nicht an dieser Arbeit beteiligt war.

Diese Forschungsarbeit wurde zum Teil durch das William Asbjornsen Albert Memorial Fellowship, das Dr. Martin Luther King Jr. Visiting Professor Program, Toppan Printing Co., Honda Research, Chinese Scholarship Council und Shima Seiki unterstützt. Zum Team gehörten Ozgun Kilic Afsar, Sarah Nicita, Rosalie (Hsin-Ju) Lin, Liu Yang, Akshay Kothakonda, Zachary Gordon und Cedric Honnet am MIT sowie Megan Hofmann und Kristen Dorsey an der Northeastern University.

Quelle:

MIT und Northeastern University

Seide liefert die Bausteine zur Transformation der modernen Medizin Foto: Jenna Schad
31.10.2023

Seide liefert die Bausteine zur Transformation der modernen Medizin

Forscher an der Tufts-Universität nutzen Seidenproteine zur Herstellung von Handschuhen, die Viren erkennen, chirurgischen Schrauben, die sich im Körper auflösen, und anderen biomedizinischen Materialien der nächsten Generation

Etwa eine Meile nordwestlich des Tufts-Campus in Medford/Somerville befindet sich im vierten Stock einer umgebauten Wollfabrik ein Schrein für Seide. Glasvasen mit Seidenraupenkokons und gewaschenen Seidenfasern stehen kunstvoll auf einem Regal gegenüber einer bunten Zeichnung des Lebenszyklus von Bombyx mori, dem domestizierten Seidenspinner. Weiter innen grenzen weitere Kokons in Wandvitrinen an eine große Nahaufnahme von Seidenfasern, und auf Displays sind Dutzende von Prototypen aus Seide zu sehen, darunter intelligente Stoffe, Biosensoren, ein Helm, der bei einem Aufprall die Farbe wechselt, und potenzielle Ersatzstoffe für Materialien wie Leder, Kunststoff und Spanplatten.

Forscher an der Tufts-Universität nutzen Seidenproteine zur Herstellung von Handschuhen, die Viren erkennen, chirurgischen Schrauben, die sich im Körper auflösen, und anderen biomedizinischen Materialien der nächsten Generation

Etwa eine Meile nordwestlich des Tufts-Campus in Medford/Somerville befindet sich im vierten Stock einer umgebauten Wollfabrik ein Schrein für Seide. Glasvasen mit Seidenraupenkokons und gewaschenen Seidenfasern stehen kunstvoll auf einem Regal gegenüber einer bunten Zeichnung des Lebenszyklus von Bombyx mori, dem domestizierten Seidenspinner. Weiter innen grenzen weitere Kokons in Wandvitrinen an eine große Nahaufnahme von Seidenfasern, und auf Displays sind Dutzende von Prototypen aus Seide zu sehen, darunter intelligente Stoffe, Biosensoren, ein Helm, der bei einem Aufprall die Farbe wechselt, und potenzielle Ersatzstoffe für Materialien wie Leder, Kunststoff und Spanplatten.

Das Einzige, was fehlt, sind die Seidenraupen selbst, aber Fiorenzo Omenetto, der Direktor von Silklab und Frank C. Doble Professor of Engineering an der Tufts University, sagte, dass sie bald eintreffen werden. Das Labor baut ein Terrarium, in dem Besucher die Tiere besichtigen können.
„Wir werden ein Fest der Seidenraupen und Motten veranstalten“, so Omenetto.

Seide wird schon seit Tausenden von Jahren gezüchtet und geerntet. Am bekanntesten ist sie für den widerstandsfähigen, schimmernden Stoff, der aus ihren Fasern gewebt werden kann, aber sie wird auch seit langem in der Medizin zum Verbinden von Verletzungen und Nähen von Wunden verwendet. Im Silklab bauen Omenetto und seine Kollegen auf dem Erbe der Seide auf und beweisen, dass diese uralte Faser zur Entwicklung der nächsten Generation biomedizinischer Materialien beitragen könnte.
 
Die Raupen von Seidenspinnern, auch Seidenraupen genannt, stoßen einen einzigen klebrigen Seidenstrang aus ihrem Maul aus, um Cocons zu bilden, die von Seidenbauern zur Herstellung von Seidengarn geerntet werden. Im Kern besteht Seide aus einer Mischung von zwei Proteinen: Fi-Broin, das die Struktur der Faser bildet, und Sericin, das sie zusammenhält. Mit ein paar Handgriffen im Labor können Tufts-Forscher das Sericin entfernen und die Fasern auflösen, so dass sich ein trockener Kokon in eine mit Fibroin gefüllte Flüssigkeit verwandelt.

„Die Natur baut Strukturproteine, die sehr robust und sehr widerstandsfähig sind“, erläutert Omenetto. „Ihre Bausteine sind diese Fibroinproteine, die im Wasser schwimmen. Daraus kann man alles bauen, was man will.“

Beginnend mit Lieferungen getrockneter Kokons von Seidenfarmen konnten Omenetto und seine Kollegen Gele, Schwämme, klare, plastikähnliche Folien, bedruckbare Tinten, Feststoffe, die wie Bernstein aussehen, eintauchbare Beschichtungen und vieles mehr herstellen.

„Jedes der Materialien, die man herstellt, kann all diese verschiedenen Funktionen enthalten, und ein Tag hat nur 24 Stunden“, sagt Omenetto lachend. „Deshalb schlafe ich auch nicht.“

Biokompatibel und biologisch abbaubar
Als Omenetto vor fast zwei Jahrzehnten an die Tufts-Universität kam, konzentrierte sich seine Forschung auf Laser und Optik - Seide stand nicht auf dem Plan. Doch ein zufälliges Gespräch mit David Kaplan, dem Stern Family Professor of Engineering und Vorsitzenden der Abteilung Biomedizintechnik, brachte ihn auf einen neuen Weg.

Kaplan, der seit Anfang der 90er Jahre mit Seide arbeitet, entwarf ein Seidengerüst, das bei der Wiederherstellung der Hornhaut eines Menschen helfen sollte, indem es Zellen zwischen den Schichten wachsen ließ. Er brauchte eine Möglichkeit, um sicherzustellen, dass die wachsenden Zellen ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden, und zeigte Omenetto das kleine, transparente Blatt, der sofort von dem Material fasziniert war. Omenetto konnte mit den Lasern seines Labors winzige Löcher in Kaplans Seidenhornhaut setzen. Schnell folgten weitere Kooperationen.
„Seitdem haben wir ununterbrochen zusammengearbeitet“, sagte Kaplan.

Eine dieser Forschungsrichtungen ist es, Wege zu finden, um Seide für die Reparatur und das Nachwachsen von Knochen, Blutgefäßen, Nerven und anderem Gewebe zu nutzen. Seide ist biokompatibel, d. h. sie schadet dem Körper nicht und lässt sich auf vorhersehbare Weise abbauen. Mit der richtigen Vorbereitung können Seidenmaterialien die notwendige Festigkeit und Struktur bieten, während der Körper heilt.

„Man kann die Seide so bearbeiten und formen, wie man sie braucht, und sie wird das erforderliche Format beibehalten, während das native Gewebe in die Lücke hineinwächst und das Seidenmaterial abgebaut wird“, sagte Kaplan. „Schließlich ist es zu 100 Prozent verschwunden, und man hat wieder sein normales Gewebe.“

Ein Teil dieser Arbeit wurde bereits von der US-amerikanischen Food and Drug Administration freigegeben. Ein Unternehmen namens Sofregen, das aus der Forschung von Kaplan und Omenetto hervorgegangen ist, verwendet ein injizierbares Gel auf Seidenbasis, um beschädigte Stimmbänder wieder zu reparieren, also das Gewebe, das den Luftstrom reguliert und uns beim Sprechen hilft.
Die stabilen Seidenstrukturen können ihre Größe, Form und Funktion über Jahre hinweg beibehalten, bevor sie sich abbauen. Aber in einigen Fällen, z. B. bei chirurgischen Schrauben und Platten, die für schnell wachsende Kinder bestimmt sind, wäre dieses Tempo zu langsam. Die Forscher mussten einen Weg finden, um die Zeit zu beschleunigen, in der sich dichtes Seiden-Biomaterial abbaut. Sie setzten der Seide ein körpereigenes Enzym zu, um den Abbauprozess zu beschleunigen. Die Idee ist, dass das Enzym trocken und inaktiv in der Seidenvorrichtung sitzt, bis die Struktur in einem Menschen eingesetzt wird, und dass dann die Vorrichtung hydratisiert und das Enzym aktiviert wird, um das Material schneller zu zersetzen.

„Wir können genau die richtige Menge an Enzymen zugeben, damit eine Schraube in einer Woche, einem Monat oder einem Jahr verschwindet“, so Kaplan. „Wir haben die volle Kontrolle über den Prozess.“
Gegenwärtig arbeiten Kaplan und sein Labor an anderen kleinen, abbaubaren medizinischen Geräten, die dazu beitragen würden, die Zahl der Operationen, die Patienten benötigen, zu verringern. So werden beispielsweise bei chronischen Ohrinfektionen häufig Ohrschläuche implantiert, die dann operativ entfernt werden müssen. Kaplan und seine Kollegen haben Ohrschläuche aus Seide entwickelt, die sich von selbst abbauen und sogar Antibiotika enthalten können.

„Als jemand, dessen Tochter sechs Operationen am Ohr hinter sich hat, weiß ich, wie hilfreich dies sein kann“, so Kaplan.

Quelle:

Laura Castañón, Tufts University, Massachusetts USA