Schnecken verändern die Eigenschaften ihres Schleims je nach Aufgabe. Andere Tiere erzeugen unter Wasser haftende Klebstoffe, recycelbare Fasern oder natürliche Thermoplaste. Die Materialforschung untersucht, wie sich solche Fähigkeiten technisch nutzen lassen. 

Schneckenschleim gilt nicht gerade als Hochleistungswerkstoff. Dabei kann er fließen, haften, gleiten, vor Austrocknung schützen und zu einem festen Verschluss aushärten. Die Bänderschnecke Cepaea nemoralis erreicht diese Bandbreite mit einer überschaubaren Zahl chemischer Bestandteile. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm hat fünf Schleimarten der Bänderschnecke untersucht. Sie dienen der Fortbewegung, der Haftung, dem Schutz vor Austrocknung, dem Verschließen des Gehäuses während längerer Ruhephasen und der Verteidigung.

In allen Proben fanden die Forschenden dieselben wesentlichen Bestandteile: Proteine und Kalzium. Der Unterschied liegt in den Mengenverhältnissen und in der Vernetzung. Eine wichtige Rolle spielt Kollagen VI. Steigt sein Anteil, wird das Proteinnetz dichter und der Schleim zäher. Kalzium kann das Netzwerk als Ion verknüpfen oder in Form von Calcit verstärken.

Die Schnecke arbeitet damit wie eine Materialentwicklerin, die aus einem begrenzten Rohstoffsortiment verschiedene Rezepturen herstellt. Die im Fachjournal Science veröffentlichte Untersuchung reiht sich in eine wachsende Zahl von Arbeiten über natürliche Werkstoffe ein, deren Leistungsfähigkeit erst auf der Mikro- und Nanoskala sichtbar wird.

Hochfeste Fasern, die sich in Wasser wieder auflösen

Dem Schleim des Samtwurms sieht man ebenfalls nicht an, was in ihm steckt. Das Tier schießt die Flüssigkeit auf seine Beute. Sobald diese sich bewegt und am Schleim zieht, ordnen sich darin enthaltene Protein-Lipid-Partikel zu Fasern. Der zunächst flüssige Stoff wird fest. Die getrockneten Fasern erreichten in Versuchen eine Steifigkeit von durchschnittlich 4,4 Gigapascal. Damit lagen sie in einer ähnlichen Größenordnung wie Nylon und Seide. Anschließend machten die Forschenden den Vorgang rückgängig: Nach mehreren Stunden in Wasser lösten sich die Fasern auf. Aus der konzentrierten Lösung ließen sich wieder neue Fasern ziehen.

Der Samtwurm erzeugt somit bei Umgebungstemperatur einen Faserwerkstoff, der mechanisch gebildet und mit Wasser wieder zerlegt werden kann. Eine 2025 veröffentlichte Untersuchung fand zudem Proteine, die über sehr lange Evolutionszeiträume erhalten geblieben sind und wahrscheinlich an diesem Vorgang mitwirken. Wie genau sie die größeren Strukturproteine verbinden, ist noch offen.

Der Schleimaal entfaltet ein fertiges Fasernetz

Schleimaale setzen ebenfalls auf eine Kombination aus Schleim und Fasern. Bei einem Angriff geben sie aus speziellen Drüsen zwei Komponenten ins Meerwasser ab: Schleimstoffe und dicht aufgewickelte Proteinfasern. Die Fasern entfalten sich, verteilen sich im Wasser und stabilisieren den Schleim. So entsteht in kurzer Zeit ein großvolumiges, faserverstärktes Gel. Die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Fäden reichen an die Sicherheitsfäden von Spinnenseide heran. Bemerkenswert ist vor allem die platzsparende Lagerung. Das Tier bewahrt die Fasern in aufgewickelter Form auf und entfaltet sie erst im Einsatz.

Die Forschung sieht darin ein mögliches Modell für Materialien, die sich durch Strömung oder Kontakt mit Wasser selbst aufbauen. Eine technische Umsetzung dieses Systems gibt es bislang nicht. Quellen: Nature Communications, eLife

Kleben, wo technische Klebstoffe an Grenzen stoßen

Miesmuscheln heften sich an Felsen, Hafenmauern und andere Oberflächen, obwohl diese nass sind und von Wellen belastet werden. Den Halt geben ihnen Byssusfäden mit haftenden Endplatten. Im Muschelfuß läuft dabei ein fein gesteuerter Herstellungsprozess ab. Proteinreiche Flüssigkeiten und metallhaltige Komponenten werden zunächst getrennt transportiert. In schmalen Kanälen kommen sie zusammen. Die Metallionen vernetzen bestimmte Bereiche der Proteine und härten das Material aus.

Der Vorgang erinnert an eine mikrofluidische Produktionsanlage. Die Muschel dosiert ihre Ausgangsstoffe, führt sie an einer festgelegten Stelle zusammen und stellt innerhalb weniger Minuten einen belastbaren Unterwasserklebstoff her.

Die zugrunde liegende Chemie wird bereits für künstliche Gewebekleber, Beschichtungen und selbstheilende Polymere untersucht. Solche Werkstoffe übernehmen einzelne Elemente des natürlichen Systems, etwa die Bindung über Metallionen oder die Haftung bestimmter Aminosäuren auf feuchten Oberflächen.

Auch Sandburgenwürmer beherrschen das Kleben unter Wasser. Sie bauen ihre Wohnröhren aus Sandkörnern und Bruchstücken von Muschelschalen, die sie mit einem Proteinleim verbinden. Der Leim lässt sich als Flüssigkeit auftragen, verdrängt Wasser von der Kontaktfläche und härtet anschließend aus. Nach diesem Muster wurden bereits experimentelle Klebstoffe für Knochen und Gewebe entwickelt.

Ein Thermoplast aus Proteinen

Die Saugnäpfe von Kalmaren und Sepien tragen gezahnte Ringe, mit denen die Tiere ihre Beute festhalten. Diese sogenannten Saugnapfzähne bestehen vollständig aus Proteinen. Trotzdem lassen sie sich erwärmen, formen und erneut verarbeiten. Forschende konnten das Material durch Extrusion zu Fasern verarbeiten. Seine Eigenschaften beruhen auf einer Struktur aus festen Protein-Kristalliten, die in eine weichere Matrix eingebettet sind. Der Aufbau ähnelt einem thermoplastischen Blockcopolymer. Die Festigkeit erreicht Werte leistungsfähiger synthetischer Polymere.

Für die Materialforschung sind die Kalmarzähne deshalb mehr als eine biologische Besonderheit. Sie zeigen, wie sich ein thermoplastisch verarbeitbarer Werkstoff allein aus Proteinen aufbauen lässt. Untersucht wird, ob sich vergleichbare Proteine biotechnologisch herstellen und für medizinische Produkte oder den 3D-Druck nutzen lassen.

Die stärksten bekannten Zähne der Natur

Napfschnecken raspeln Algen von Felsen. Ihre weniger als einen Millimeter langen Zähne müssen dabei hohen Kräften und ständigem Abrieb standhalten. Im Inneren der Zähne liegen feine Fasern aus Goethit, einem Eisenoxid-Hydroxid. Sie verstärken eine weichere organische Matrix. Zugversuche ergaben Festigkeiten zwischen 3,0 und 6,5 Gigapascal. Damit erreichte das Material Werte, wie sie sonst bei technischen Hochleistungsfasern vorkommen.

Die geringe Dicke der Goethitfasern spielt dabei eine wesentliche Rolle. Auf dieser Größenskala treten weniger große Defekte auf, an denen ein Bruch beginnen kann. Zudem sind die Fasern in Belastungsrichtung angeordnet. Das Ergebnis ist ein natürlicher Nanoverbundwerkstoff. 2022 gelang es einem Forschungsteam, Chitinstrukturen mithilfe von Zellen aus dem Zahngewebe zu mineralisieren. Damit konnten Teile des natürlichen Herstellungsprozesses außerhalb des Tieres nachvollzogen werden. Bis zu einem industriell produzierbaren Werkstoff ist es jedoch noch ein weiter Weg.

Wie spröder Kalk bruchfest wird

Auch Perlmutt erzielt seine hohe Belastbarkeit durch den Aufbau eines Verbundwerkstoffs. Es besteht zum größten Teil aus Aragonit, einer spröden Form von Kalziumkarbonat. Dünne organische Schichten verbinden die mineralischen Plättchen. Unter Belastung verschieben sich die Plättchen gegeneinander. Risse müssen ihre Richtung ändern und verlieren dabei Energie. Untersuchungen zeigen außerdem, dass größere Stapel gemeinsam ausgerichteter Aragonitplättchen Verformungsenergie aufnehmen.

Perlmutt ist daher keine besonders feste Form von Kalk. Seine Bruchfestigkeit entsteht aus der Anordnung des Kalks. Dieses Bauprinzip wird bei der Entwicklung von Keramiken, Schutzmaterialien und 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen aufgegriffen.

Eine Haut mit einstellbarer Steifigkeit

Seegurken können ihre weiche Körperwand innerhalb kurzer Zeit versteifen. Möglich macht das ein veränderliches Kollagengewebe. Messungen mit Synchrotronstrahlung zeigten, dass die Kollagenfasern dabei weitgehend unverändert bleiben. Die mechanische Umstellung findet in der proteinreichen Matrix zwischen den Fasern statt. Sie verändert die Verbindung der Fasern untereinander und damit die Steifigkeit des gesamten Gewebes.

Diese Fähigkeit ist für Werkstoffe interessant, die sich an unterschiedliche Belastungen anpassen sollen. Dazu gehören flexible Implantate, Komponenten für weiche Roboter und Strukturen, die bei Bedarf zwischen einem weichen und einem steifen Zustand wechseln.

Optische Strukturen aus Siliziumdioxid

Kieselalgen fertigen ihre Schalen aus amorphem Siliziumdioxid. Unter dem Mikroskop zeigen sich regelmäßig angeordnete Poren und Gitterstrukturen, deren Abmessungen bis in den Nanometerbereich reichen. Bei zahlreichen Arten wirken Teile der Schale wie photonische Kristalle. Sie beeinflussen die Ausbreitung von Licht im sichtbaren und infraroten Bereich. Weitere Untersuchungen belegen, dass die Schalen ultraviolette Strahlung streuen und dadurch das Erbgut der Algen schützen können.

Solche Strukturen werden als Ausgangspunkt für optische Sensoren, Filter und andere photonische Bauteile untersucht. Noch ungeklärt ist, welche Funktion das gesamte Spektrum der beobachteten optischen Eigenschaften für die Algen hat.

Wenige Grundkomponenten, präzise verarbeitet

Schneckenschleim, Muschelklebstoff und Perlmutt bestehen aus Stoffen, die für sich genommen wenig außergewöhnlich erscheinen. Ihre Leistung entsteht durch Mischungsverhältnisse, Faserorientierung, räumliche Anordnung und gezielt gesetzte Verbindungen. Genau darin liegt auch die Herausforderung für die technische Nutzung. Kollagen, Kalziumkarbonat oder Proteine bereitzustellen reicht nicht aus. Nachgebildet werden muss der Herstellungsprozess, der diese Stoffe auf mehreren Größenskalen ordnet. Die Natur liefert daher selten einen fertigen Rohstoff für die Industrie. Sie zeigt vor allem, wie sich aus einfachen Bestandteilen anspruchsvolle Werkstoffe herstellen lassen.

Bild ganz oben: Eine gewöhnliche Gartenschnecke produziert mit nur einem molekularen Baukasten erstaunlich unterschiedliche Schleimarten. Foto: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung