Glas, so stabil wie Perlmutt

Glas, so stabil wie Perlmutt

Gefäss: 

Perlmutt und Zahnschmelz sind beide extrem hart und widerstandsfähig. Dank raffinierter Strukturen halten sie auch schwere Stösse und Druck aus. Kanadische Forscher haben diese nachgebaut – und dabei entdeckt, wie Glas um das 200fache stabiler gemacht werden kann.

Die Härte von Zahnschmelz oder Perlmutt aus Muschelschalen lässt sich meist auf einen hohen Mineralienanteil zurück führen. Trotzdem sind beide weder spröde noch brüchig. Sie sind extrem langlebig und widerstandsfähig. Wie das Magazin „Bild der Wissenschaft“ berichtet, gelang es François Barthelat und seinem Team von der McGill University in Montreal diese raffinierten Baupläne der Natur zu entschlüsseln und nachzubauen.

Plättchen und Stäbchen

Anhand von Analysen von Zahnschmelz und Perlmutt, entdeckten sie, wie die Natur es schafft, Sprödigkeit in Festigkeit zu transformieren. Dabei verbindet sie harte Grundsteine mit schwächeren Grenzflächen, die nach einem bestimmten System amngelegt sind. Beim Perlmutt besteht die „Konstruktion“ aus mikroskopisch kleinen Plättchen aus Kalziumkarbonat, die durch eine Art Pflaster aus Proteinen und Zucker zusammengehalten werden. Ähnlich wie bei Schuppen sind die Plättchen zudem so angeordnet, dass sie sich überlappen und Risse damit keine Chance haben, sich auszubreiten. Laut den Forschern bremst die wellige Verschränkung der Plättchen absorbiert die Energie des Risses und bremst ihn aus.

Beim Zahnschmelz bilden feine, senkrecht zur Oberfläche angeordnete Stäbchen den mineralischen Grundbaustein und Proteine verbinden sie. Weiter innen sind diese Stäbchen ein verflochtenes Netz, das ebenfalls dazu dient, die Ausbreitung von Rissen zu verhindern.

Rillen machen stabil

Barthelat und seine Kollegen versuchten diese Konstruktion mit Glas nachzubauen. Dazu frästen sie mit einem Laser in regelmässigen Abständen wellenförmige Rillen ins Glas um damit die Bruchfestigkeit des Materials zu beeinflussen. Das Ergebnis war überraschend: Lagen die Schwachstellen zwischen 80 und 130 Mikrometer auseinander, machten sie das Glas stabiler statt es zu schwächen – und das gleich um den Faktor 100.  In einem zweiten Schritt gossen die Forscher die Rillen mit einer Polyurthan-Mischung als elastische Komponente aus, die im Falle eines Bruchs oder Risses die Randzonen zusammenhält. Zudem dämpft das Polymer die Belastungen in den Kontaktregionen zwischen einzelnen Glasflächen. Mit dieser zusätzlichen Anwendung wurde das Glas noch flexibler und die Festigkeit; Die Stabilität des Glases konnte auf den Faktor 200 gesteigert werden. Diese Technik lässt sich laut den Wissenschaftern nicht nur auf Glas sondern auch auf andere spröde Materialien anwenden. (mai)