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Materialforschung In der Lehrstube der Natur

Perlmutt besticht durch seine extreme Härte. Stuttgarter Forscher haben nun einen Werkstoff nach dem Vorbild dieses Naturprodukts geschaffen. Noch haben sie nicht erreicht, was die Evolution zustande brachte.

© Foto Felicitas Predel Vergrößern Perlmutt: Schicht auf Schicht stapeln sich die Aragonitplättchen

Muscheln, Schnecken und andere Weichtiere schützen sich mit einem bruchsicheren Panzer aus Perlmutt vor Verletzungen und Feinden. Das schillernde Material wird seit je zur Herstellung von Schmuck, Knöpfen und zur Verzierung von Möbeln verwendet. Inzwischen interessieren sich auch Materialwissenschaftler für das biologische Material: Denn seine Beschaffenheit lehrt sie, dass ein schon von Natur aus harter Stoff noch stabiler wird, wenn man ihn mit elastischen Schichten von nur wenigen Nanometern Dicke kombiniert. Wissenschaftler von der Universität Stuttgart und des örtlichen Max-Planck-Instituts für Metallforschung haben sich nun das Naturprodukt zum Vorbild genommen und einen stabilen Verbundwerkstoff aus Titandioxid und einem organischen Polymer hergestellt.

Perlmutt besteht zu 95 Prozent aus Kalziumkarbonat in Form des Minerals Aragonit. Betrachtet man eine Muschelschale unter dem Elektronenmikroskop, erkennt man dünne Plättchen aus Aragonit, die wie Ziegelsteine übereinandergestapelt sind. Von der Muschel produzierte Proteine bilden den Kitt, der die Plättchen zusammenhält. Die Proteine sind viel weicher als das Karbonat, aber elastisch wie Gummi. Das verhindert, dass sich kleine Risse im spröden Mineral ausbreiten können. Dank des besonderen Aufbaus ist Perlmutt rund dreitausend Mal so bruchfest wie reiner Aragonit.

Schicht für Schicht

Die Forscher um Zaklina Burghard und Joachim Bill haben für ihr Verbundmaterial den harten keramischen Werkstoff Titandioxid und ein weiches organisches Polymer verwendet. Beide Komponenten sind für viele technische Anwendungen interessant und leicht zu handhaben. So lässt sich Titandioxid schon bei niedrigen Temperaturen chemisch aus einer Lösung abscheiden. Diesen Vorteil haben die Forscher für ihre Zwecke genutzt. Burghard und ihre Kollegen trugen beide Substanzen Schicht für Schicht auf eine Silizium-unterlage auf, wobei sich jeweils eine Lage Titandioxid mit einer Lage des Polymers abwechselte.

Während des Auftragens variierten die Forscher die Dicke der einzelnen Schichten. Für das Titandioxid wählten sie eine Schicht von hundert Nanometern. Die Stärke des organischen Polymerfilms wurde zwischen fünf und zwanzig Nanometern verändert. Alle Strukturen hielten deutlich stärkeren Belastungen stand als das Titandioxid allein. Die höchste Stabilität zeigte jedoch ein Verbundmaterial, dessen Polymerschichten zehn Nanometer dick waren und die damit die gleichen Ausmaße hatten wie die Proteinschichten im Perlmutt.

Die Evolution liegt vorne

Offenbar hat die Evolution die Bruchfestigkeit des Biomaterials über viele Millionen Jahre optimiert. Eine zu dünne Polymerschicht hatte den Nachteil, dass sie die raue Oberfläche des Titandioxids nicht vollständig bedeckte. War die Schicht dagegen zu dick, wurde das Material zu weich, wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nano Letters“ (Bd. 9, S. 4103) berichten.

Das künstliche Verbundmaterial kann allerdings noch nicht mit dem natürlichen Vorbild konkurrieren. Für Vesna Srot und Peter van Aken vom Zentrum für Elektronenmikroskopie am Max-Planck-Institut für Metallforschung liegt die Ursache für die Schwäche in der mikroskopischen Struktur des Materials. Bei der chemischen Abscheidung ordnet sich das Titandioxid nicht in kristalliner Form an. Zudem sind die einzelnen Schichten nicht so eben geschichtet wie bei dem natürlichen Vorbild. Die Forscher wollen nun ein Verbundmaterial aus kristallinem Titandioxid herstellen. Dieses könnte sich bereits zur Beschichtung medizinischer Implantate eignen. In der der jetzigen Form lässt sich das Material der Stuttgarter Forscher als kratzfester Überzug verwenden.

Quelle: F.A.Z.

 
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