Neue Materialklasse: Hybrid-Aerogele mit Biopolymeren als Super-Isolatoren

Neue Materialklasse: Hybrid-Aerogele mit Biopolymeren als Super-Isolatoren. (Symbolbild)

Neue Materialklasse: Hybrid-Aerogele mit Biopolymeren als Super-Isolatoren. (Symbolbild)

Sie gelten als die besten Isolatoren überhaupt. Doch Aerogele auf Silikatbasis sind brüchig und neigen zur Staubbildung. Mit der Entwicklung eines Hybrid-Aerogels aus Biopolymeren haben Forscher der Empa und des MINES ParisTech diese Defizite nun behoben und dabei die herausragende thermische Isolationsfähigkeit des ultraleichten, porösen Feststoffes bewahrt.

In der Schweiz gelten rund 1,5 Millionen Gebäude als sanierungsbedürftig. Namentlich aufgrund der mangelhaften Isolation dieser Bauten verpufft so viel Energie, dass Experten mit einem Sparpotenzial von bis zu 70 Prozent des aktuellen Heizenergieverbrauchs rechnen. Eine bessere Isolation verkleinerte den ökologischen Fussabdruck der Eigentümer, und in volkswirtschaftlicher Hinsicht sänken die Kosten um mehrere Milliarden Schweizer Franken. Doch besonders bei historischen und denkmalgeschützten Bauwerken sind Renovationen nur innerhalb enger rechtlichen Vorgaben möglich.

Aerogele: hervorragende, unscheinbare, aber brüchige Dämmstoffe

Forscher der Empa haben vor etwa drei Jahren zusammen mit der Fixit AG einen Dämmputz ausgehend von Silikat-Aerogel-Granulat entwickelt. Dessen Wärmeleitfähigkeit beträgt nur rund 28 mWm-1K-1 (lies: Milliwatt pro Meter Kelvin), jener von reinem Silikat-Aerogel gar nur zwischen 12 bis 15 mWm-1K-1. Ein absoluter Spitzenwert. Dieser beruht auf der Struktur des Materials: Aerogele bestehen zu mehr als 95 Prozent aus luftgefüllten Poren, nur etwa fünf Prozent der Masse macht ein Netzwerk von Nanopartikeln aus. Die Luftmoleküle in den Poren können sich kaum frei bewegen. Daher werden thermische Verluste durch Wärmetransport der Gasmoleküle in den Poren auf ein Minimum verringert. Zudem sind Aerogele für das menschliche Auge mehr oder weniger transparent. Sie könnten folglich zur Isolierung von Altbauten verwendet werden, ohne den Denkmalschutz zu verletzen oder das Erscheinungsbild eines historischen Bauwerks zu beeinflussen. Doch die Verbreitung von Silikat-Aerogelen als Dämmstoff harzt. Zu teuer und zu fragil sei der Stoff, und er tendiere in der Anwendung zur Staubbildung, beklagen Fachleute.

Pektin aus Äpfeln verbessert die mechanischen Eigenschaften
In der Tat: Die Verbindungen zwischen den Silikat-Nanopartikeln sind äusserst feingliedrig, wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen. Daher wollten Empa-Forscher um Matthias Koebel zusammen mit Kollegen des MINES ParisTech die mechanischen Eigenschaften von Aerogelen verbessern. Dies jedoch auf einem bis anhin kaum beschrittenen Pfad: Die Forscher entwickelten ein Hybrid-Aerogel aus Silikat und dem Biopolymer Pektin (das etwa in Äpfeln vorkommt), mit dem sie eine neuartige Stoffklasse schufen und das markant verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist. Das Hybridaerogel kann um bis zu 80 Prozent komprimiert werden, ohne zu zerbrechen. Die Wissenschaftler führen dies auf die Morphologie des Pektin-Silikat-Netzwerks zurück. In diesem seien die Nanopartikel über robustere «Stege» miteinander verbunden als die Silikat-Teilchen in klassischen Aerogelen. Durch diesen Gewinn an Widerstandsfähigkeit wird auch die Staubentwicklung von Hybridaerogelen minimiert.

Das Entscheidende dabei: Je nach Pektingehalt beträgt die thermische Leitfähigkeit zwischen 14 und 17 mWm-1K-1, also nur wenig mehr als die Wärmeleitfähigkeit von klassischen Silikat-Aerogelen. Mit ihrer Innovation erschlagen die Forscher gleich drei Fliegen mit einer Klappe: Das Hybrid-Aerogel ist mechanisch robust, isoliert hervorragend und wird aus biologischen respektive mineralischen Rohstoffen hergestellt. Ausserdem entwickelte das Team auch noch ein ökologisches Herstellungsverfahren für Hybrid-Aerogele aus einer wässrigen Lösung. Damit liessen sich beliebige Mengen Hybrid-Aerogel herstellen und industriell nutzen, stellten die Forscher in einem vor kurzem erschienenen Artikel in der Fachzeitschrift «Angewandte Chemie» in Aussicht (http://dx.doi.org/10.1002/ange.201507328).

Die Strategie eines Tumors: Teile und herrsche

Die Strategie eines Tumors: Teile und herrsche. (Symbolbild)

Die Strategie eines Tumors: Teile und herrsche. (Symbolbild)

Vom SNF unterstützte Forscher haben entdeckt, wie aggressive Zellen im frühesten Stadium der Tumorentwicklung in gesundes Gewebe eindringen können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, den Krebs an der Wurzel zu packen.

Wenn normale Körperzellen ausser Kontrolle geraten, kann sich ein Tumor bilden, was schliesslich zu Krebs führen kann. Wie genau sich diese Zellen der Kontrolle ihrer Nachbarzellen entziehen können, war bisher unklar. Das Team von Eduardo Moreno, Professor am Institut für Zellbiologie der Universität Bern, hat nun herausgefunden, dass ein aus der Frühentwicklung von Embryonen bekannter Mechanismus auch zu Beginn der Tumorentwicklung bei Erwachsenen eine Rolle spielen könnte (*).

Die Forschenden haben in ihrem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützten Projekt, Zellen von Fruchtfliegenpuppen bei ihrer Entwicklung unter dem Mikroskop gefilmt. Die genetisch veränderten Fruchtfliegen sind Träger eines künstlich aktivierten Gens namens Myc, das in der Entstehung von Tumoren eine Rolle spielt. Die Aktivierung allein führte dazu, dass sich abnormale Zellen aktiver teilten, sich zwischen gesunden Zellen durchzwängten, diese töteten und deren Platz einnahmen. Dass dieser Mechanismus beim Befall von Gewebe im ersten Stadium der Tumorentwicklung mitspielt, ist neu und unerwartet.

Ein Modell für die meisten Krebsarten
„Die Aktivierung des Tumorgens verlieh den Zellen spezielle mechanische Eigenschaften, um sich unter die normalen Zellen zu mischen, sie einzukreisen und sie damit effizienter zu töten“, erklärt Romain Levayer, Erstautor der Studie. „Es war bekannt, dass dieser Invasionsmechanismus während der embryonalen Entwicklung aktiv ist, wenn Zellen sich neu anordnen, um den Körper zu formen. Wir haben nun gezeigt, dass Zellen in der Lage sind, dasselbe Programm zu verwenden, um in gesundes Gewebe einzudringen“, sagt Eduardo Moreno, Leiter der Forschungsgruppe. Die Forschenden beschreiben das Verhalten der aggressiven Zellen mit der bekannten militärischen Strategie „teile und herrsche“.

Der Mechanismus, der sich von den Invasionsmechanismen von Metastasen in späteren Tumorstadien unterscheidet, könnte den Beginn der Tumorentwicklung bei den meisten Krebsarten erklären. „Wir konnten den Mechanismus bei Fruchtfliegenpuppen beobachten. Die Fruchtfliege wurde als Modell gewählt, weil sie genetisch einfach verändert werden kann. Da die Puppe sich nicht bewegt und durchsichtig ist, bietet sie sich für die Beobachtung unter dem Mikroskop an“, erklärt Moreno. Rund 90 Prozent aller Krebsarten bilden sich in Deck- und Drüsengeweben (Epithelien), wie bei den gefilmten Puppen: im Darm, in der Haut oder in der Brustdrüse. Das manipulierte Myc-Gen ist das am häufigsten fehlregulierte Gen bei Tumoren. Wahrscheinlich spielt dieser entdeckte Mechanismus bei den meisten Krebsarten eine Rolle und könnte somit die Wissenschaftler dabei leiten, neue Strategien zur Verhinderung der Tumorbildung im Anfangsstadium zu finden, bevor grosser Schaden angerichtet wurde.