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Materialforschung : Perlmutt stand Pate

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Perlmutt, das Baumaterial von Muschleln. Bild: Hans Hillewaert (Lycaon)

Extrem hart und nicht zu spröde: Aus Aluminiumoxid wurde eine Keramik geschaffen, die alle Vorteile des Biominerals in sich vereint.

          Keramische Werkstoffe sind für viele Anwendungen das Konstruktionsmaterial der Wahl. Sie sind in der Regel äußerst fest und hart und halten hohen mechanischen Druck sowie große Hitze aus. Anders als Metalle sind keramische Werkstoffe spröde - und genau das ist ihre Achillesferse. Bei ungünstiger Belastung kommt es zu einem Bruch, der das ganze Werkstück zerstört. Französischen Forschern ist es gelungen, ein neuartiges keramisches Material zu entwickeln, das diese Nachteile überwindet. Es besteht im Wesentlichen aus Aluminiumoxid und ist nach dem Vorbild von natürlichem Perlmutt geschaffen.

          Perlmutt fasziniert nicht nur durch seinen irisierenden Glanz, sondern es besticht auch durch seine hohe mechanische Stabilität, dank einer Art Ziegel-und-Mörtel-Struktur. Perlmutt besteht zu 95 Prozent aus Kalziumkarbonat, das in dünnen, übereinandergestapelten Plättchen vorliegt. Zwischen den Plättchen ist eine proteinhaltige Substanz. Dieser Aufbau ist offenbar entscheidend für die positiven Eigenschaften des Biominerals. Denn Perlmutt ist rund dreitausendmal so robust wie reines Kalziumkarbonat. Mikroskopische Aufnahmen zeigen, dass ein Riss nicht einfach durch das Material hindurchläuft, sondern sich um die Plättchen herumwinden muss. Er folgt einem Zickzackweg, und seine Ausbreitung wird schließlich gestoppt. Ein katastrophales Versagen, wie man es von Keramik kennt, bleibt aus.

          Mit drei Schritten zum Ziel

          Nach dem Vorbild des Biominerals haben Sylvain Deville von der Université Lyon und seine Kollegen eine Aluminiumoxid-Keramik hergestellt. Dafür nutzten sie ein Gefrierverfahren. Zunächst wurden winzige Aluminiumoxidplättchen mit einem Durchmesser von sieben Mikrometern in Wasser suspendiert. Die vorgekühlte Mischung ließ man über eine Kühlplatte fließen, woraufhin die Suspension erstarrte und sich die Plättchen zwischen den wachsenden Eiskristallen parallel zur Fließrichtung ausrichteten. Als Zusatz enthielt die Suspension Partikeln aus Kalziumoxid und Siliziumdioxid, die sich beim Gefrieren um die Plättchen herum verteilten. Das erstarrte Material wurde anschließend gefriergetrocknet, stark komprimiert und auf 1500 Grad erhitzt. Dieses dreistufige Vorgehen lieferte schließlich die gewünschte Keramik.

          Im ersten Schritt wurden alle Eiskristalle aus dem Material entfernt. Zurückbleibende Hohlräume wurden im Pressvorgang - dem zweiten Schritt - entfernt. Beim Sintern schließlich entstand aus den zusätzlichen Oxidpartikeln eine Glasphase, die die Aluminiumoxidplättchen umhüllt. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass die Struktur der Keramik sehr jener von Perlmutt ähnelt.

          Besser als da Original

          Die mechanischen Eigenschaften der neuen Keramik lassen die Herzen von Werkstoffforschern höherschlagen: Das Material ist zehnmal so fest wie normale Aluminiumoxid-Keramik, zugleich äußerst zäh. Ein Bruch zieht sich nicht glatt durch die Keramik hindurch Er wird mehrfach abgelenkt, bis er schließlich endet. Wird der Werkstoff erhitzt, so hält er einer Temperatur von mindestens 600 Grad stand. Damit ist das Perlmuttimitat offenkundig anderen keramischen Kompositen überlegen, die beispielsweise Polymere enthalten und deshalb in ihrer Einsatztemperatur deutlich begrenzt sind, schreiben die Forscher um Deville in der Zeitschrift „Nature Materials“.

          Weil zur Herstellung der Keramik gängige und wenig aufwendige Techniken benötigt werden, glauben die Forscher, dass eine industrielle Umsetzung leicht möglich sein sollte. Außerdem ist das Verfahren für viele verschiedene Ausgangsstoffe geeignet und nicht auf Aluminiumoxid beschränkt. Demnach sollte eine ganze Palette von leichten, festen und bruchzähen keramischen Werkstoffen nach dem Vorbild von Perlmutt zugänglich sein.

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