Unordnung festigt Perlmutt

Das Perlmutt von Muscheln und Schnecken schillert nicht nur in allen Farben des Regenbogens, es ist auch extrem bruchfest. Ein Grund für die hohe Stabilität könnte in einem kräftigen Schuss Unordnung liegen, hat eine amerikanisch-schweizerische Forschergruppe entdeckt. Die unzähligen Kalkplättchen sind nicht nur in der Vertikalen leicht gegeneinander versetzt, sie bestehen auch aus unterschiedlich orientierten Kristallen.

Während das Farbenspiel von Perlmutt durch den ordentlichen Etagenaufbau zustande kommt, könnte die Stabilität in einem Schuss Unordnung begründet liegen, vermutet die Physikerin Pupa Gilbert. Foto: Jeff Miller/University of Wisconsin-Madison

Diese Struktur verhindere das Entstehen einer größeren Bruchfläche und könnte erklären, warum Perlmutt gut 3.000 Mal bruchfester sei als schlichter Kalk, erläutert Pupa Gilbert von der University of Wisconsin-Madison. “Man kann mit einem Lastwagen darüberfahren und es zerbricht nicht”, so die Physikerin. Weil es zudem durch geschickt gesteuerte Selbstorganisation wachse, sei das biologische Material ein attraktives Vorbild für technische Werkstoffe.

Perlmutt besteht aus einen halben Tausendstel Millimeter dicken Kalkplättchen, die wiederum in eine organische Matrix eingebettet sind. Um mehr über den genauen Aufbau des Materials zu erfahren, tasteten Gilbert und Kolleginnen Perlmutt aus dem Gehäuse des Seeohrs Haliotis rufescens mit der polarisierten Röntgenstrahlung eines Synchrotrons ab.

Anhand der Zahl der aus dem Kalk herausgeschlagenen Elektronen konnten sie abschätzen, wie die Kristallebenen in den einzelnen Plättchen zu der Schwingungsebene der Strahlung orientiert waren. Diese Orientierung ist in Stapeln von etwa zehn Kalkplättchen gleich, unterscheidet sich jedoch von der in den benachbarten Stapeln, berichten die Forscherinnen im Fachblatt “Physical Review Letters”. Da die Plättchen unterschiedlich breit sind, sind diese Stapel mehr oder weniger windschief und mit ihren Nachbarn verzahnt.

Diese Struktur erlaube Rückschlüsse auf das Wachstum, so Gilbert und Kolleginnen. Die von Schnecke oder Muschel gebildete, organische Matrix gebe vermutlich nur die Wachstumsebenen vor - vergleichbar den leeren Etagen in einem Rohbau. Ausgehend von verstreut liegenden Kristallisationskeimen, wachsen Kalkkristalle in die Breite und in die Höhe, bis sie auf benachbarte Kristalle bzw. die Etagendecke treffen. Und indem das Kristallwachstum stellenweise in die nächsthöhere Etage “schwappt”, wächst über einem Kalkplättchen typischerweise eines mit der gleichen Kristallorientierung.

Forschung: Rebecca A. Metzler, Susan N. Coppersmith und P.U.P.A. Gilbert, Department of Physics, University of Wisconsin, Madison; Daniel Ariosa, Institut de Physique de la Matière Complexe, École Polytechnique Fédérale de Lausanne; und andere

Veröffentlichung Physical Review Letters, Vol. 98, Artikel 268102, DOI 10.1103/PhysRevLett.98.268102

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