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Materialforschung : Perlmutt - ein Hochleistungsmaterial

  • -Aktualisiert am

Was macht Perlmutt so fest? Bild: dpa

Die Mischung aus Kalziumkarbonat und Proteinen ist das Geheimnis des Perlmutts, sie bewirkt die hohe Festigkeit.

          Die Meeresschnecke Haliotis laevigata - auch als Abalone bekannt - produziert in ihrem unscheinbaren Gehäuse einen außergewöhnlichen Rohstoff, mit dem sie ihre Schalen auskleidet: Perlmutt. Dieses glänzende, in allen Regenbogenfarben schillernde Material wird vom Menschen seit jeher gerne für Schmuckgegenstände oder Knöpfe verwendet. Das Faszinierende an Perlmutt ist nicht nur sein irisierender Glanz, sondern auch seine hohe mechanische Stabilität und Resistenz gegenüber dem korrosiven Seewasser. Das sind Eigenschaften, die auf der Wunschliste mancher Materialforscher stehen. So untersuchen Wissenschaftler von der Universität Bremen und dem Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, ob sich Perlmutt als Vorbild für neue Werkstoffe eignet.

          Perlmutt ist ein Biomineral, das die Abalone-Schnecke aus verschiedenen Bestandteilen synthetisiert. Es besteht zu mehr als 95 Prozent aus Kalziumkarbonat in Form von Aragonit. Wie elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, bildet der Aragonit dünne, regelmäßig übereinandergestapelte Plättchen, die in eine organische Substanz eingebettet sind. Diese besteht aus Proteinen sowie Chitin und hat einen Anteil von weniger als fünf Prozent am Gesamtgewicht. Offenbar ist das organische Material aber entscheidend für die Eigenschaften des Biominerals. Denn Perlmutt ist rund dreitausendmal so widerstandsfähig wie reines Aragonit.

          Mörtel aus Aragonit

          Die organische Substanz bildet eine Art Mörtel in der Mauer aus Aragonit-Plättchen. Dadurch sind die Kalziumkarbonat-Kristalle einerseits von einer elastischen Schutzhülle umgeben. Andererseits verhindert die Verbundstruktur, daß sich ein Riß quer durch das Material ausbreiten kann. Außerdem kommt den Proteinen eine weitere wichtige Aufgabe zu: Sie steuern das Wachstum des Perlmutts. Erst seit wenigen Jahren kennt man einige dieser Eiweißstoffe. Gibt man sie in ein Glas mit Kalziumkarbonat-Lösung, wachsen darin die typischen Aragonit-Plättchen. Ohne Proteinzusatz bildet Aragonit dagegen lange Nadeln.

          Wie die Proteine als molekulare Maschinen die Entstehung von Perlmutt lenken, untersucht die Arbeitsgruppe von Monika Fritz am Institut für Biophysik der Universität Bremen. Den Forschern ist es gelungen, eine Reihe dieser Eiweißstoffe zu isolieren und zu charakterisieren. Dazu verarbeiten sie jedes Jahr rund 50 Kilogramm an Abalone-Schalen, die aus Australien stammen. Mit einem Sandstrahlgebläse entfernen die Forscher zunächst die äußere Schale aus Kalkstein, bis das reine Perlmutt vorliegt. Aus dem zerkleinerten Perlmutt können dann Proteine gelöst werden, die mittels Hochdruck-Flüssigchromatographie gereinigt und getrennt werden. Auf diese Weise haben die Biophysiker bislang neun Proteine gefunden. Von dreien wissen sie bereits, wie diese in den Prozeß der Biomineralisation eingreifen. Eines fördert die Bildung neuer Kristallkeime, das zweite verlangsamt die Kristallisation, während sich das dritte Protein an Kristallstufen anlagert und das Wachstum völlig unterdrückt.

          Fünfzehn Eiweißmoleküle an Perlmutt beteiligt

          Weitere Experimente sollen nun zeigen, wie die Proteine zusammenwirken. Dazu werden die Biomoleküle einzeln und in verschiedenen Kombinationen mit Kalziumkarbonat-Lösung und Chitin zusammengebracht. Von einer halbdurchlässigen Membran getrennt, gelangen die Komponenten nur langsam zusammen. Es wachsen Kristalle, deren mechanische Eigenschaften am Institut für Keramische Werkstoffe und Bauteile der Universität Bremen geprüft werden sollen.

          Insgesamt scheinen etwa fünfzehn Eiweißmoleküle an der Entstehung von Perlmutt beteiligt zu sein. Fünf davon, so schätzt Monika Fritz, sind an den Chitinkern gebunden. Sie sind wasserunlöslich und daher besonders schwer zu isolieren und in ihrer Funktion aufzuklären. Selbst Versuche, den Chitinkern mit Enzymen zu zerlegen und die Eiweißstoffe auf diese Weise freizusetzen, scheiterten bislang. Daher konzentrieren sich die Forscher zunächst auf die wasserlöslichen Proteine.

          Künstliche Nachbauetn

          Die Bremer Forscher wollen isolierte Komponenten aus Perlmutt zur Herstellung synthetischer Verbundmaterialien nutzen. Eine Art künstliches Perlmutt etwa wäre interessant als korrosionsresistente Beschichtung für Schiffsrümpfe. Auch könnte man versuchen, einzelne Komponenten des Perlmutts zu modifizieren und damit völlig neue Werkstoffe herzustellen.

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