Stoffeigenschaften im Chemieunterricht

Was hat die Spinne mit den Laufschuhen zu tun?

Aus künstlicher Spinnenseide werden Sportschuhe hergestellt. Finden Sie hier anschauliches Unterrichts-Material für chemische Stoffeigenschaften und ihre Anwendung.

Sportschuh aus Spinnenseide
Die besonderen Stoffeigenschaften von Spinnenseide ermöglichen nachhaltige Sportschuhe. © adidas Group (photographer: Hannah Hlavacek)

Für Sportschuhe und Funktionskleidung sind Stoffeigenschaften und Chemie des Materials extrem wichtig. Leicht soll es sein, langlebig, und nicht giftig für Mensch und Umwelt. Bislang werden die Materialien meist aus Nylon oder Polyester hergestellt, die aus dem Rohstoff Erdöl gewonnen werden. Das könnte sich bald ändern, denn die Hersteller gucken bei den Spinnen ab. Für die meisten Menschen sind sie nur lästige Haustiere, die flinken Kletterer können jedoch Spinnfäden mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften herstellen. Im Chemie-Unterricht eignet sich künstliche Spinnenseide als Anschauungsmaterial für die Themen Stoffeigenschaften Chemie, Struktur und Eigenschaften von Polymeren und die Nachhaltigkeit von Werkstoffen.

Spinnen als Meister der Polymersynthese

Die meisten Menschen kennen Spinnen nur als lästige Haustiere, die flinken Kletterer sind jedoch Meister der Polymersynthese. Sie können Spinnfäden mit ganz unterschiedlichen Stoffeigenschaften aus Proteinen produzieren. So ist der Sicherungsfaden zum Abseilen fünf Mal stabiler als Stahl, während der Faden zum Einspinnen der Beute besonders weich und der Fangfaden extrem elastisch ist. Durch die besonderen Stoffeigenschaften des Fangfadens könnte ein Spinnennetz aus bleistiftdicken Spinnfäden eine Boeing 747 auffangen. Alle Fäden sind außerdem biologisch abbaubar und haben antimikrobielle Eigenschaften.

Spinnfäden mit verschiedenen chemischen Stoffeigenschaften

Spinnen sind Meister der Polymersynthese. Sie können Spinnfäden mit ganz unterschiedlichen Stoffeigenschaften aus Proteinen produzieren. So ist der Sicherungsfaden zum Abseilen fünf Mal stabiler als Stahl, während der Faden zum Einspinnen der Beute besonders weich und der Fangfaden extrem elastisch ist. Durch die besonderen Stoffeigenschaften des Fangfadens könnte ein Spinnennetz aus bleistiftdicken Spinnfäden eine Boeing 747 auffangen. Alle Fäden sind außerdem biologisch abbaubar und haben antimikrobielle Eigenschaften.

Polymerchemie als Grundlage

Chemisch gesehen, sind die Spinnenproteine Polymere, die durch Polykondensation aus verschiedenen Aminosäuren gebildet werden. Besonders häufig kommen zur Bildung der Oligopeptide die Aminosäuren Alanin, Glycin, Glutamin und Prolin vor. Die genaue Aminosäurenabfolge entscheidet über die Stoffeigenschaft.
Bei der Polykondensation werden funktionelle Gruppen unter Abspaltung eines Nebenproduktes, wie zum Beispiel Wasser, verknüpft. Demnach ist die chemische Reaktion zur Bildung des Spinnenproteins dieselbe wie zur Gewinnung von Polymeren wie Nylon oder Polyesterfasern. Das Endprodukt ist allerdings ungleich umweltverträglicher. Die Spinnen fressen ihr Netz nach Gebrauch auf, um die Rohstoffe wieder zu gewinnen.

Künstliches Spinnenprotein als nachhaltiger Rohstoff

Forscher versuchen seit langem, Spinnenproteine als nachhaltige Rohstoffe nutzbar zu machen. Da Spinnen als Kannibalen ihre Artgenossen fressen, ist die Rohstoffproduktion durch Massentierhaltung jedoch ausgeschlossen. Ein großer Schritt zur Herstellung künstlicher Spinnenseide gelang den Forschern der TU München, die im Jahre 2004 ein Patent zur biotechnologischen Herstellung von künstlicher Spinnenseide anmeldeten. Sie bauten synthetisch hergestellte Gene, die für die Spinnseidenproteine codieren, in Escherichia coli Bakterien ein. So waren die Bakterien in der Lage Spinnenseidenprotein herzustellen.

Stoffeigenschaften und Chemie der Spinnfäden künstlich nachbauen

Einen stabilen Spinnfaden stellen die Tiere aus dem Spinnseidenprotein in ihren Spinnkanälen her, für die verschiedenen Arten von Spinnfäden gibt es im großen Hinterleib mehrere solcher Drüsen. Damit die Spinne sich den Faden schließlich aus dem Spinnkanal ziehen kann, müssen weitere chemische und physikalische Prozesse ablaufen.

Erst im Jahre 2008 gelang es den Forschern, auch den Spinnkanal der Spinne künstlich nachzubauen. Dazu mussten sie die molekularen Grundlagen der Fadenbildung entschlüsseln und eine Erklärung für die enorme Festigkeit des Faden finden. Im Jahre 2013 stellte die Firma AMSilk, eine Ausgründung der TU München, die erste industriell gefertigte Spinnenseide vor.

Unterrichtsmaterial zum Thema Spinnenseide

Spinnenseide als Proteinfaser bietet für Schüler und Schülerinnen interessantes Anschauungsmaterial für die Themenbereiche Stoffeigenschaften Chemie, Naturstoffe, Makromoleküle und Nachhaltigkeit. Die Schüler beschäftigen sich mit Aminosäuren sowie dem Aufbau und der Struktur von Proteinen. Im Falle des Spinnproteins liegen Beta-Faltblattstrukturen vor, woraus im Spinnkanal ein reißfester Faden hergestellt wird. Welche chemischen Prozesse liegen dieser Umwandlung zugrunde? 

Unterrichtsmaterial zum Thema Stoffeigenschaften von Spinnenseide zum Download finden Sie hier.

Fakten zum Artikel
Unterricht Schuljahr 10-12