Neues Verfahren zur mechanischen Zugprüfung von Mikro- und Nanofasern

Forschende der TU Wien haben ein neuartiges Verfahren entwickelt, das sich für die mechanische Zugprüfung von Mikro- und Nanofasern eignet. Das Besondere: Proben können reversibel an den Kraftsensor an- und abgekoppelt werden.

Die experimentelle Prüfung der Steifigkeit oder Zugfestigkeit von Fasern im Nano- bis Mikrobereich ist oft sehr zeitaufwändig. Die Proben müssen in den meisten Fällen an beiden Enden mit Klebstoff befestigt werden. Das Aushärten des Klebers braucht Zeit, und der Sensor, auf den die Faser geklebt ist, kann nicht wiederverwendet werden.

Die Forscher der TU Wien, Mathis Nalbach, Philipp Thurner und Georg Schitter, haben ein Testsystem entwickelt, das diese Hürden überwindet. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Eine magnetische Mikrokugel, die an der Nanofaser befestigt ist, kann mit einer magnetischen Pinzette aufgenommen werden. Dadurch kann die Kugel in die an einem Kraftsensor befestigte Gabel eingesetzt und dadurch mit dem Sensor gekoppelt werden. Da sich die Magnetkugel auch mit der Magnetpinzette von der Gabel lösen lässt, lässt sich sofort eine weitere Nanofaser aufnehmen. Dadurch wird der Probendurchsatz deutlich erhöht. Kürzlich stellten die Forscher in der Fachzeitschrift das Zugprüfgerät NanoTens vor Überprüfung der wissenschaftlichen Instrumente.

Angepasst an die realen Bedingungen

Während mit dem Rasterkraftmikroskop die mechanischen Eigenschaften einer Faser mittels Nanopenetrationstest untersucht werden können, ermöglicht das NanoTens Materialprüfungen für Fasern unter der relevanteren Zugbelastung. Philipp Thurner aus der Forschungsabteilung Biomechanik erklärt das Funktionsprinzip so: „Man kann sich das Gerät wie einen mikroskopisch kleinen Gabelstapler vorstellen. Die Magnetkugel, die auf die Faser geklebt ist, wird in die Gabel eingeführt. „Die Faser kann nun unter Zugbelastung getestet werden. Diese Art der Belastung ist besonders relevant für biologische Fasern wie Kollagenfibrillen. Diese werden physiologisch hauptsächlich auf Zug belastet und daher sind ihre mechanischen Eigenschaften gerade unter dieser Belastung besonders relevant.“

Die Biomechaniker Nalbach und Thurner untersuchen meist Naturfasern wie Kollagen. Da ihre mechanischen Eigenschaften stark von äußeren Bedingungen abhängen, ist es wichtig, diese auch bei der Zugprüfung zu berücksichtigen. „Das gelingt uns, weil mit dem NanoTens Zugversuche in unterschiedlichen Medien durchgeführt werden können. Eine trockene Kollagenfaser beispielsweise ist deutlich spröder und steifer als eine feuchte oder vollständig hydratisierte. Auch ihr Durchmesser nimmt beim Trocknen deutlich ab heraus“, sagt Mathis Nalbach, Erstautor der Studie.

Qualität und Quantität steigen

Mit ihrer Methode gelingt es den Forschern nicht nur, physiologische Bedingungen zu simulieren, sondern auch die mit NanoTens generierten Ergebnisse gewinnen an Gültigkeit. Denn um aussagekräftige Ergebnisse an biologischen Materialien wie Kollagenfibrillen zu erhalten, sind viele Messungen notwendig. „Mit herkömmlichen Methoden können wir nur ein bis zwei Proben pro Woche untersuchen. Das macht es praktisch unmöglich, statistisch aussagekräftige Studien durchzuführen“, beschreibt Nalbach. Philipp Thurner ergänzt: „Das neue Verfahren ermöglicht ein schnelles An- und Abklemmen der Fasern. Dadurch – und durch die Wiederverwendung des Sensors – können wir nicht nur die Anzahl der Zugversuche auf bis zu 50 Messungen pro Woche erhöhen, sondern auch die Genauigkeit der Messung.“

Die Zugversuche können – je nach Wahl – über einen weiten Kraftbereich durchgeführt und über eine Steuerung manipuliert werden. Dies ist wichtig, da Zugprüfverfahren normalerweise davon ausgehen, dass das Material linear elastische Eigenschaften hat. Bei biologischen Geweben wie Kollagenfibrillen ist dies jedoch nicht der Fall: Sie sind viskoelastisch. Kraftgesteuerte Zugversuche ermöglichen die Untersuchung dieser Viskoelastizität.

Von der Erfindung zum Produkt

NanoTens wurde bereits von der TU Wien international patentiert. „Der nächste Schritt wäre, sich mit Industriepartnern zusammenzuschließen. Wir hoffen, mit Hilfe der Forschungs- und Transferunterstützung einen Lizenznehmer zu finden. Wir sind an einer Zusammenarbeit mit der Industrie zu diesem Thema interessiert“, sagt Mathis Nalbach. NanoTens ist so konzipiert, dass es grundsätzlich in jedes Eindruckmessgerät oder Rasterkraftmikroskop integriert werden kann. Neben der Materialwissenschaft wird die Zugprüfung unter anderem auch in den Life Sciences, der Halbleitertechnik und der Elektronik eingesetzt.