Perlmutt am Optimum

Perlmutt ist schön und zugleich extrem fest. Offenbar hat die Evolution das mechanische Potenzial des Materials optimal ausgereizt, legen Experimente Stuttgarter Forscher nahe. Dabei erreichte ein künstliches Perlmutt-Pendant seine maximale Stabilität, wenn harte und weiche Bestandteile nach dem natürlichen Vorbild kombiniert wurden.

Grafik: MPI für Metallforschung

Diese Erkenntnis könnte wiederum technisch umgesetzt werden, hofft die Gruppe um Zaklina Burghard und Joachim Bill vom Max-Planck-Institut für Metallforschung und von der Universität Stuttgart. Beispielsweise könnte sie die Entwicklung besonders kratzfester Farbschichten und bruchfester Elektronikbauteile ermöglichen.

Das Perlmutt der Muschel- und Schneckenschale besteht aus winzigen Plättchen des Kalkminerals Aragonit, die wie Mauerziegel in einen Mörtel aus Protein eingebettet sind. Die Stuttgarter Forscher führten ihre Experimente mit einem ganz ähnlichen Verbundmaterial durch, das aus harten, spröden Titandioxidpartikeln und weichen, aber zähen Polymeren bestand. Die Resultate stellen sie im Fachblatt “Nano Letters” vor.

Während die Dicke der einzelnen Titandioxidschichten stets bei rund 100 Nanometern lag, variierten die Forscher die Dicke der Polymerschichten. Erwartungsgemäß war das Materialsandwich bis zu vier Mal so bruchfest wie reines Titandioxid, da das Polymer sich entwickelnde Risse in der mineralischen Schicht abfangen konnte.

Die maximale Bruchfestigkeit wurde bei etwa 10 Nanometer dicken Polymerschichten erreicht, fanden Burghard, Bill und Kollegen. Das Dickenverhältnis zwischen anorganischen und organischen Schichten betrug also 10 zu 1. Das gleiche Verhältnis findet sich in Muschelschalen mit rund 400 Nanometer dicken Kalkschichten und 40 Nanometer dicken Proteinschichten. An die Festigkeit des natürlichen Vorbilds reicht das Stuttgarter Materialsandwich allerdings noch nicht heran.

Forschung: Zaklina Burghard, Peter A. van Aken und Joachim Bill, Institut für Materialwissenschaft, Universität Stuttgart, und Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart; und andere

Veröffentlichung Nano Letters, Vol. 9(12), pp 4103-8, DOI 10.1021/nl902324x

WWW:
Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
Institut für Materialwissenschaft, Uni Stuttgart
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