Wissenschaft: Organisches Metamaterial mit T-1000-Eigenschaften

Dieses Metamaterial ist paradox: Auf dem Trockenen ist es flüssig und in Wasser wird es fest. US-Forscher haben dieses Metamaterial, das aus DNA besteht, durch Zufall geschaffen.

Artikel veröffentlicht am 7. Dezember 2012, 18:02 Uhr, Werner Pluta

Metamaterial aus DNA: wasserempfindlicher Schalter (Bild: Cornell/ Screenshot: Golem.de)

US-Wissenschaftler haben ein neues Metamaterial entwickelt, das fließen und später wieder seine ursprüngliche Form annehmen kann. Es sei das erste Metamaterial, das aus organischen Substanzen hergestellt sei und das mechanische Metaeigenschaften habe, erklären die Forscher von der Cornell-Universität in Ithaca im US-Bundesstaat New York. Das Material zeige auf dem Trockenen Eigenschaften einer Flüssigkeit und im Wasser die einer festen Substanz, schreiben sie in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology.

Die Forscher um Dan Luo haben aus dem Material die Buchstaben D, N und A - für Desoxyribonukleinsäure (Deoxyribonucleic Acid, DNA) geformt, da es aus DNA besteht. Dazu haben sie es als Hydrogel in entsprechende Formen gegossen. Als sie die Buchstaben aus den Formen herausnahmen, verloren sie ihre Form und wurden praktisch zu einer Flüssigkeit. Wurden sie jedoch in Wasser gelegt, nahmen sie wieder ihre alte Buchstabenform an.

T-1000 aus DNA

Das Material erinnere ein wenig an den T-1000 aus dem zweiten Film der Terminator-Serie, meinen die Wissenschaftler. Allerdings sei das Material kein flüssiges Metall, sondern eben ein Hydrogel aus synthetischer DNA. Die Substanz, aus der Gene bestehen, dient auch als Baustoff für Materialien, die sich selbst zusammenfügen: Einzelne DNA-Stränge verbinden sich dabei mit anderen, die über komplementäre Verbindungen verfügen.

Die Entdeckung des Meta-Hydrogels war ein Zufall: Die Wissenschaftler hatten anfangs aus kurzen DNA-Strängen kreuz- und Y-förmige Strukturen geschaffen. Diese verbanden sich an den Enden zu einer netzartigen Struktur. So entstand das erste Hydrogel, das komplett aus DNA besteht.

Unerwartete Eigenschaften

Im nächsten Schritt vermischten die Forscher die DNA mit Polymerase-Enzymen. Diese Enzyme veranlassen die Replikation der DNA. So brachten sie die DNA-Stränge dazu, sich zu verlängern. Ziel war es, ein Hydrogel ohne DNA-Bindungen zu schaffen. Bei diesem Prozess verschränkten sich die DNA-Stränge und bildeten eine dreidimensionale Struktur, erklärt Luo. Das Ergebnis überraschte die Forscher mit seinen ungewöhnlichen Eigenschaften. "Das war nicht beabsichtigt", gibt Luo zu.

Als eine mögliche Anwendung bauten sie aus dem Meta-Hydrogel einen Schalter, der durch Wasser betätigt wird: Sie formten einen Zylinder aus dem Gel, das mit Metallpartikeln durchsetzt war. In flüssiger Form war das Gel lang genug, um zwei elektrische Kontakte zu verbinden. Dann brachten sie das Gel mit Wasser in Kontakt. Es nahm daraufhin wieder seine ursprüngliche Form an, so dass der Stromkreis unterbrochen wurde. Das Experiment wurde mit destilliertem Wasser durchgeführt, das nicht leitet.

Metamaterialien sind künstlich hergestellte Stoffe, die Eigenschaften aufweisen, die in der Natur nicht vorkommen. Die meisten bestehen allerdings aus anorganischen Stoffen. Viele dieser Stoffe haben ungewöhnliche Brechungseigenschaften, so dass sie Gegenstände für bestimmte Wellenlängen unsichtbar machen können.