Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Technischen Universität München (TUM) haben eine neuartige Oberflächenbeschichtung entwickelt. Diese macht den Kontakt mit UV-A-Strahlen durch einen deutlichen Farbumschlag erkennbar. Die Formulierung basiert vollständig auf biologischen Komponenten und kommt ohne fossile Rohstoffe aus.
Die Forschungsgruppe um Volker Sieber, der als Professor für Chemie biogener Rohstoffe am Campus Straubing tätig ist, nutzt dabei lebende Bakterien und spezielle Proteine.
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Farbwechselndes Protein als natürlicher Sensor
Das zentrale Element der Neuentwicklung bildet ein Protein mit der Bezeichnung mEosFP. Es verfügt über eine bemerkenswerte Eigenschaft: Unter Einwirkung von UV-A-Strahlen vollzieht es einen Farbwechsel von einem grünen Ton namens „Vegan Villain“ zu einem rötlichen Farbton mit der Bezeichnung „End of Summer“. Diese eindeutige Farbreaktion macht das Molekül zum idealen Kandidaten für Sensorsysteme, die vor übermäßiger Strahlenbelastung warnen sollen.
Die Herausforderung für das Forschungsteam bestand darin, solche empfindlichen Proteine dauerhaft in Beschichtungen zu integrieren. Dabei sollten weder die biologische Funktion noch die technischen Eigenschaften der Oberfläche beeinträchtigt werden. Bisherige Versuche scheiterten, da die Proteine in herkömmlichen Formulierungen ihre Aktivität verloren oder die Materialeigenschaften negativ beeinflussten.
UV-A-Strahlen lösen sichtbare Reaktion aus
Statt die Proteine zu isolieren, verarbeitete das Team zuletzt die gesamte Biomasse – also Bakterien und Proteine gemeinsam – in der Farbformulierung. Amelie Skopp, Erstautorin der Studie, erklärt den Effekt: „Die Bakterien scheinen für die Proteine eine schützende Umgebung zu schaffen. Sie schirmen die empfindlichen Moleküle gegen chemische und physikalische Belastungen ab, denen diese in der Farbformulierung ausgesetzt sind.“ Diese symbiotische Einbettung führte dazu, dass die Proteine, ihre Funktionsfähigkeit vollständig bewahrten.
Die Reaktion auf UV-A-Strahlen setzt bereits nach kurzer Expositionszeit ein. Schon wenige Minuten Bestrahlung genügen, um den Prozess zu starten. Nach einer Viertelstunde ist der Farbwechsel deutlich sichtbar. Die vollständige Umwandlung ist nach rund einer Stunde abgeschlossen. Dabei gilt: Je intensiver die Einstrahlung ausfällt, desto kräftiger entwickelt sich der rote Farbton der Beschichtung.
Vielfältige Anwendungen für den UV-Sensor
Die praktischen Einsatzmöglichkeiten für die Proteine sind vielfältig. Outdoorbekleidung könnte Menschen vor gefährlichen Strahlendosen warnen. Besonders interessant ist dies für jene, die sich beruflich oder in der Freizeit lange im Freien aufhalten. T-Shirts mit solchen Beschichtungen würden durch ihren Farbumschlag signalisieren, wann die Sonneneinstrahlung kritische Werte erreicht hat.
Auch für den medizinischen Bereich wären interessante Anwendungen möglich. Viele Medikamente reagieren empfindlich auf Lichteinwirkung und können dabei ihre Wirksamkeit verlieren. Etiketten mit der biobasierten Beschichtung würden anzeigen, ob während Lagerung oder Transport UV-A-Strahlen auf die Präparate eingewirkt haben.
Ein weiteres potenzielles Einsatzgebiet betrifft Desinfektionsprozesse mit ultraviolettem Licht. Dabei dient die Beschichtung zur Kontrolle, ob die erforderliche Strahlendosis tatsächlich erreicht wurde.
Biohybride Materialien für nachhaltige Lösungen
Das Projekt fügt sich in die aufstrebende Disziplin der biohybriden Materialien ein. Dieser Forschungsbereich verbindet biologische Organismen mit technischen Systemen. Ziel ist es, Werkstoffe zu schaffen, die Eigenschaften lebender Systeme besitzen. Dazu zählen etwa Selbstreparatur, Wachstum oder die Fähigkeit zur Reaktion auf äußere Reize. Die erfolgreiche Integration der Bakterien könnte als Modell für weitere Entwicklungen dienen.
Amelie Skopp betont die grundlegende Bedeutung: „Wir haben gezeigt, dass Beschichtungen mit biologischen Zusatzfunktionen ausgestattet werden können, ohne ihre eigenen Eigenschaften zu verlieren.“ Dieser Nachweis öffnet Türen für zahlreiche weitere Anwendungen.
Ausgangspunkt für nötige Entwicklungen
Das Team arbeitet bereits an der nächsten Generation biohybrider Materialien. Im Fokus steht eine Filtertechnologie auf biologischer Basis. Diese soll flüchtige organische Verbindungen aus der Luft entfernen und in harmlose Substanzen umwandeln können. Solche Systeme könnten zur Verbesserung der Luftqualität in Innenräumen oder industriellen Umgebungen beitragen.
Volker Sieber sieht großes Potenzial: Biologische Systeme bieten eine außergewöhnliche Vielfalt an Funktionen, die technisch nutzbar gemacht werden können. Die Bandbreite reicht von Materialien, die Umweltbedingungen visualisieren, bis zu Lösungen, die künftig schwer vermeidbare Treibhausgase wie Methan aus der Atmosphäre filtern und abbauen könnten.
Andere Textilien mit „Mehrwert“
Neben UV-Sensoren arbeiten Forschende weltweit an weiteren intelligenten Textilien. Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen zum Beispiel Stoffe entwickelt, die Körpertemperatur und Herzfrequenz messen können, indem sie leitfähige Fasern direkt in Gewebe einweben. Diese sogenannten E-Textiles kombinieren traditionelle Textilherstellung mit elektronischen Funktionen und könnten im Gesundheitsbereich Anwendung finden.
An der University of California hat ein Team selbstreinigende Beschichtungen für Textilien auf Basis von Titandioxid-Nanopartikeln vorgestellt, die organische Verschmutzungen unter Lichteinwirkung zersetzen.
Forschende der Empa in der Schweiz wiederum arbeiten an antimikrobiellen Textilien, die Silberionen freisetzen und so das Bakterienwachstum hemmen, was besonders für Krankenhauswäsche relevant ist.
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