2. Dezember 2019 /

Dr. Linus Stegbauer baut Forschungsgruppe „Chemie bio-inspirierter Strukturmaterialien“ auf

Ab Dezember 2019 erweitert das Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP seine Kompetenzen um einen neuen Forschungsbereich: die Chemie bio-inspirierter Strukturmaterialien. Hierzu stößt Dr. Linus Stegbauer zum Institut, ein Experte für biologische Hartgewebe. Der promovierte Chemiker forschte zuletzt an der US-amerikanischen Northwestern University in Chicago und kehrt nun als Liebig-Stipendiat nach Deutschland zurück, um in Stuttgart die neue Arbeitsgruppe am IGVP aufzubauen.

Das IGVP freut sich darüber, einen aufstrebenden Wissenschaftler mit einem spannenden Themenschwerpunkt als neuen Kollegen begrüßen zu dürfen: Zum Jahresende 2019 beginnt Dr. Linus Stegbauer mit dem Aufbau der Forschungsgruppe „Chemie bio-inspirierter Strukturmaterialien“, die es sich zum Ziel gesetzt hat, neuartige Materialien nach dem Vorbild der Natur zu entwickeln. Die Vorarbeit hierfür hat der gebürtige Mannheimer bereits an seiner letzten Arbeitsstätte geleistet, der Northwestern University in Chicago.

Bioinspirierte Hartstoffe: Der Zahn der Käferschnecke als Vorbild

Dort beschäftigte sich der Chemiker mit den Zähnen der marinen Käferschnecke. Dem Namen zum Trotz handelt es sich bei dem Tier um keine Meeresschnecke, sondern um einen Mollusken, also ein Weichtier. Es ernährt sich von Algen, die es mit seiner Raspelzunge von Meeresfelsen abschabt. „Als Materialforscher faszinieren mich die Zähne der Käferschnecke aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften: Um die Nahrung von dem felsigen Untergrund aufnehmen zu können, müssen die Zähne einerseits extrem hart, gleichzeitig aber auch flexibel sein“, erklärt Stegbauer.

Was zunächst wie ein Widerspruch klingt, macht das spezielle Material möglich, aus dem die Zähne bestehen. „Während der Zahnschmelz des Menschen hauptsächlich aus Calcium besteht, werden die Käferschneckenzähne aus einem komplett anderen Element gebildet, nämlich aus Eisenoxid“, so Stegbauer. „Das verleiht den Weichtierzähnen eine einmalige Härte.“ Eine weitere Besonderheit dieser Zähne ist jedoch ihr amorpher molekularer Aufbau in der Zahnwurzel. Im Bereich von über ein bis zwei Nanometern fehlt die regelmäßige Ausrichtung der ionischen Bausteine – die Fernordnung. Somit lässt sich das Material zwar schwer wissenschaftlich beschreiben, dies ermöglicht aber zugleich, dass im Material ein Graduierungsverlauf entstehen kann. Anders formuliert: Das Material kann in sich unterschiedliche Charakteristika aufweisen, etwa ein hartes Äußeres und ein weiches Inneres.

Intelligentes Biomaterial – hart wie Eisen oder weich wie Plastik

„Gerade das macht das Zahnmaterial so interessant: Je nach mechanischer Belastung kann es sich so ausbilden, dass es entweder so hart wie Gusseisen oder so weich wie Plastik ist“, führt Stegbauer weiter aus. „Dabei besteht es lediglich aus zwei Komponenten.“ Die Materialeigenschaft wird somit nur vom Mischungsverhältnis dieser beiden Bestandteile bestimmt. Während seiner Forschungstätigkeit als Postdoc an der Northwestern University gelang Stegbauer bereits die Synthese der Komponenten. Diese Arbeit möchte er nun am IGVP fortführen.

Als Ziel seiner Forschung nennt der promovierte Chemiker die Entwicklung eines neuartigen Kompositmaterials auf Basis zweier Bestandteile, deren Verhältnis sich steuern lässt, um die jeweils benötigen Eigenschaften zu erzeugen. Dieses Material könnte zudem durch biologische Komponenten erweitert werden – etwa durch eine Zellansiedelung, z. B. mit Mikroorganismen oder Cyanobakterien. Das wiederum eröffnet ein Potenzial für intelligente Hartstoffe, deren „lebendiger“ Bestandteil beispielsweise eine Selbstheilung bei Schäden erlauben würde. Langfristig könnte man so auch ein Baumaterial herstellen, das bioverwertbar beziehungsweise recycelbar ist und sich beim (steuerbaren) Absterben der biologischen Komponente selbst zersetzt. „Meine Vision ist letztendlich eine Symbiose von uns mit unserem Haus, bei der die Wand als lebendiges Gewebe funktioniert“, so Stegbauer.

Liebig-Stipendium ermöglicht Aufbau einer neuen IGVP-Forschungsgruppe

Für seinen Wechsel nach Stuttgart nutzte Stegbauer das Rückkehrerprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Dieses verfolgt das Ziel, aufstrebende deutsche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach einer Forschungstätigkeit im Ausland zurück nach Deutschland zu holen.

Darüber hinaus bringt Stegbauer mit seinem Liebig-Stipendium eine eigene Finanzierung mit. Dieses Stipendium wird vom Verband der Chemischen Industrie e.V. vergeben, um vielversprechende Talente in der chemischen Forschung zu fördern. Die Finanzierung deckt die Personalkosten Stegbauers ab, ermöglicht die Schaffung einer weiteren Doktorandenstelle am IGVP und reicht darüber hinaus für die in den kommenden Jahren anfallenden Material- und Sachkosten. Das Stipendium hat eine Gesamtlaufzeit von fünf Jahren. Zunächst ist es auf drei Jahre ausgelegt, wobei die Laufzeit am ersten Dezember 2019 beginnt und eine planmäßige Verlängerung um zwei weitere Jahre vorgesehen ist.

An der Stelle am IGVP reizte Stegbauer vor allem die Freiheit in der Forschung und darüber hinaus auch die enge Anbindung des IGVP an das anwendungsorientiert forschende Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, das ebenfalls einen Schwerpunkt auf die Entwicklung von Biomaterialien legt. Stegbauer wird weiterhin die Zusammenarbeit auch auf die nahegelegenen Institute für Organische Chemie (IOC), Materialwissenschaften (IMW), Biomaterialien und biomolekulare Systeme (IBBS), Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart und das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) ausweiten. Ebenso wichtig war ihm die interdisziplinäre Ausrichtung der Universität Stuttgart und insbesondere im IGVP, die eine Zusammenarbeit von Ingenieuren, Chemikern, Biologen, Architekten und Physikern ermöglicht und fördert.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Teils der Raspelzunge einer Käferschnecke. Gut sichtbar sind die vier dreizackigen Zähne.
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Teils der Raspelzunge einer Käferschnecke. Gut sichtbar sind die vier dreizackigen Zähne.
[Bild: IGVP]
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