Farbenprächtiges Supermaterial
Perlmutt ist ein Material, das den Menschen seit jeher fasziniert. Es gibt Muschelschalen ihr schillerndes Aussehen und schützt das Tier vor Fraßfeinden und anderen mechanischen Bedrohungen von außen. Seit über 80 Jahren rätseln Wissenschaftler darüber, woher die außergewöhnliche Robustheit von Perlmutt stammt, das als eines der zähesten Materialen der Welt gepriesen wird. Nun hat ein interdisziplinäres Team von internationalen Wissenschaftlern – unter Beteiligung von Materialwissenschaftlern, Geowissenschaftlern und Biologen – zeigen können, was der Ursprung der außergewöhnlichen Materialeigenschaften von Perlmutt ist.
Mittel mechanischen Tests auf der Miko- und Nanoscala, die sie mittels Elektronmikroskopie in Echtzeit verfolgt haben, konnten sie ein unerwartetes und synergistisches Zusammenspiel der einzelnen Komponenten von Perlmutt beobachten, die Perlmutt in ein „Supermaterial“ verwandeln. Diese Einblicke erlauben es Materialwissenschaftlern, eine neue Generation von keramischen Materialien zu entwickeln, die nicht spröde sondern resilient auf Belastungen reagieren. Neue Implantatmaterialien und bruchfeste Keramiken für eine Vielzahl von Applikationen könnten die Folge sein. Ihre Befunde stellte das Forscherteam am 24. Oktober 2019 der Fachwelt in der renommierten Zeitschrift Nature Communications vor.
“Es ist unglaublich, wie eine Muschel, die nicht gerade für ihre Intelligenz gerühmt wird, ein so komplexes Material generiert, das über viele Längenskalen strukturiert ist.” sagte Prof. Robert Hovden (U Michigan), Leiter der Studie.
„Zentral für die von uns beobachteten Eigenschaften ist ein Kompositstruktur auf der Nanoskala, die das keramische Material Kalk eng mit Proteinen und anderen organischen Bestandteilen verwebt. Das gelingt der Muschel, indem sie kleinste Kalkpartikel zusammenlagern lässt, ein Prozess, den wir derzeit en detail untersuchen, um die fabelhaften Eigenschaften eines Tages auch synthetisch abbilden zu können“ fügt Prof. Stephan Wolf hinzu, der an der Studie beteiligt war. Er ist derzeit Juniorprofessor für Biomimetische Materialen und Prozesse am Lehrstuhl für Glas und Keramik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.
Die Arbeit trägt den Titel “Nanoscale deformation mechanics reveal resilience in nacre of Pinna nobilis shell.”
Nicht nur die Universität Erlangen und die Universität Michigan waren beteiligt, sondern auch Kollegen an der Macquarie University in Sydney und an der Université de Bourgogne Franche-Comté in Frankreich. Die Experimente wurden am Michigan Center for Materials Characterization durchgeführt.
Gim, Jiseok, Noah Schnitzer, Laura M. Otter, Yuchi Cui, Sébastien Motreuil, Frédéric Marin, Stephan E. Wolf, Dorrit E. Jacob, Amit Misra, and Robert Hovden. 2019. “Nanoscale Deformation Mechanics Reveal Resilience in Nacre of Pinna Nobilis Shell.” Nature Communications 10 (1): 4822. https://doi.org/10.1038/s41467-019-12743-z.