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Biomaterialien : Schillerndes Perlmutt aus dem Labor

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Original und Fälschung: echtes Perlmutt (links), künstliches Perlmutt (rechts) Bild: Alex Finnemore, Univeristy of Cambridge,

Englische Wissenschaftler haben die Kristallisation des Biomaterials im Labor nachgeahmt. Eine Mischung aus Kalziumkarbonat und einem Polymer liefert ein stabiles und zugleich elastisches Gerüst.

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          Perlmutt hat in der Kulturgeschichte bisher vor allem eine Rolle als Zahlungsmittel und als Schmuck gespielt. In Burkina Faso wird teilweise heute noch der Brautpreis mit der schillernden Kaurimuschel bezahlt. Hierzulande schmücken Perlmutt-Intarsien wertvolle Möbel und Musikinstrumente. Britische Wissenschaftler haben das von Muscheln hergestellte Material nun auch als Werkstoff entdeckt. Wie sie in der Zeitschrift „Nature communications“ (doi: 10.1038/ncomms1970) berichten, ist es ihnen gelungen, künstliches Perlmutt nach dem Vorbild der Natur im Labor herzustellen. Damit rücken erstmals auch großflächige Beschichtungen aus Perlmutt etwa von Schiffsrümpfen in greifbare Nähe.

          Muscheln als perfekte Baumeister

          Perlmutt besteht zu etwa 95 Prozent aus dem Mineral Kalziumkarbonat. Seine besondere Festigkeit erhält es dadurch, dass die nebeneinander und aufeinander geschichteten Kalzitplättchen durch eine poröse organische Matrix zusammengehalten werden. In der Natur ist das eine Chitinschicht, die von der obersten Zellschicht der Weichtiere abgesondert wird. Darauf lagert sich zunächst eine amorphe Schicht aus Kalziumkarbonat ab, gefolgt von einer weiteren porösen Chitinschicht. Wenn das Kalziumkarbonat in der Folge kristallisiert, verbinden sich die Kalzitplättchen nicht nur in der Horizontalen, sondern auch durch die Poren hindurch in der vertikalen Richtung.

          Synthese mit vielen Hürden

          Das natürliche Wachstum von Perlmutt im Labor nachzuahmen scheiterte bisher daran, dass die Kalziumkarbonatschichten nicht fest miteinander verbunden werden konnten und sich deshalb immer wieder voneinander lösten. Ulrich Steiner und seiner Arbeitsgruppe vom Cavendish Laboratory in Cambridge ist es jetzt gelungen, diese Schwierigkeit zu beheben, indem sie einen Objektträger mit einer porösen Polymerstruktur beschichteten. Anschließend wurden Kalzium- und Magnesiumionen in einer Kohlendioxid-Atmosphäre abgeschieden. Sie bildeten auf der Polymerschicht kleine Tröpfchen, die zu einer amorphen Schicht zusammenwuchsen. Nach mehreren Beschichtungszyklen leiteten Steiner und seine Kollegen die Kristallisation in einer feuchten Umgebung ein. Die Kristalle breiteten sich auch durch die Poren der Polymere hindurch aus und wuchsen schließlich zusammen.

          Hart und dennoch elastisch

          Die Wissenschaftler erhielten auf diese Weise künstliche Perlmuttschichten mit einer Dicke zwischen fünf und 35 Mikrometern. Der Werkstoff besitzt die gleiche Steifigkeit wie das natürliche Vorbild, ist aber wegen der polymeren Zwischenschicht etwas elastischer. Als Beschichtungsmaterial hat es den Vorteil, dass es aus günstigen Rohstoffen, bei Raumtemperatur und in wässriger Lösung hergestellt werden kann. Die Arbeitsschritte lassen sich nach Einschätzung der Wissenschaftler um Steiner leicht automatisieren. Für eine Doppelschicht aus Kunststoff und Mineral benötigen sie derzeit rund fünf Stunden. Weil das künstliche Perlmutt zudem in allen Regenbogenfarben schillert, verspricht es weitere Anwendungen etwa als Beschichtung für Designer-Objekte oder Schmuck.

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