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Wärmemanagement Spinnenweben leiten Wärme so gut wie Metalle

Redakteur: Kristin Rinortner

Kupfer, Aluminium oder auch Diamant, Graphene und Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) sind gute Wärmeleiter. Auch Spinnenweben sollen als erstes organisches Material thermisch vielversprechend sein.

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Goldene Seidenspinne: Ihre Netze sind nicht nur fest und elastisch, sondern weisen auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Eigenschaften, die zur flexiblen Kühlung von elektronischen Bauelementen genutzt werden könnten. (Quelle: Academic ru)
Goldene Seidenspinne: Ihre Netze sind nicht nur fest und elastisch, sondern weisen auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Eigenschaften, die zur flexiblen Kühlung von elektronischen Bauelementen genutzt werden könnten. (Quelle: Academic ru)

Spinnenweben weisen einige interessante Eigenschaften auf. Sie sind sehr fest und sehr elastisch und nur 4 µm dick, das entspricht einem Fünfzehntel der Dicke des menschlichen Haars (60 µm). Darüber hinaus nahmen Wissenschaftler schon längere Zeit an, dass Spinnenweben ein guter Wärmeleiter sind.

Das dem so ist, haben jetzt Wissenschaftler der Iowa State University bewiesen: Professor Xinwei Wang und seine Mitarbeiter Xiaopeng Huang und Guoqing Liu.

Bild 1: Xinwei Wang, Guoqing Liu and Xiaopeng Huang (v.l.n.r.) demonstrieren die Instrumente, die sie zur Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit von Spinnenweben verwendet haben (Bild: Iowa State University)
Bild 1: Xinwei Wang, Guoqing Liu and Xiaopeng Huang (v.l.n.r.) demonstrieren die Instrumente, die sie zur Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit von Spinnenweben verwendet haben (Bild: Iowa State University)
Sie fanden heraus, dass Fäden, mit denen die Nephila clavipes, die Goldene Seidenspinne, ihr Netz baut, Wärme besser leiten als viele andere Werkstoffe wie zum Beispiel Silizium, Aluminium oder Reineisen. Insbesondere die tragenden Fäden, die das Netz verankern, weisen eine besonders hohe Wärmeleitfäigkeit von 416 W/m∙K auf. Zum Vergleich: Reinkupfer kommt auf 401 und Silber auf 429 W/m∙K.

Das Besondere daran ist, dass bei organischen Werkstoffen bisher nicht einmal annähernd derartige Werte nachgewiesen werden konnten. Dehnt man die Spinnenweben bis zur Dehngrenze von 20 %, erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls um etwa 20%, berichtet Wang. Das sei einzigartig, denn in der Regel sinkt die Wärmeleitfähigkeit von Werkstoffen mit deren mechanischer Beanspruchung.

Eine Ursache für diese Eigenschaften führen Wang und seine Kollegen auf die defektfreie Molekularstruktur der Spinnenweben zurück. Diese Moleküle bestehen aus Proteinen, die Nanokristalle enthalten, sowie Sprungfeder artigen Strukturen, die die Proteine untereinander verbinden. Noch sind die Mechanismen nicht vollständig bekannt.

Die aktuellen Ergebnisse ihrer Untersuchungen haben die Wissenschaftler in dem Artikel „New Secrets of Spider Silk: Exceptionally High Thermal Conductivity and its Abnormal Change under Stretching“ in der Zeitschrift Advanced Materials im März veröffentlicht.

Wang untersucht derzeit, ob sich die Spinnenweben so modifizieren lassen, dass die Wärmeleitfähigkeit weiter gesteigert werden kann. Die ersten Versuche seien sehr vielversprechend. Aber auch sonst eröffnen diese organischen Werkstoffe eine Reihe von Möglichkeiten. So könnten sie dazu dienen, eine flexible Kühltechnik für elektronische Bauteile herzustellen.

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