Materialforschung

Was Perlmutt so widerstandsfähig macht

Perlmutt ist eines der zähesten Materialen der Welt. Nun fanden Forscher heraus, dass seine Widerstandsfähigkeit von kleinsten Nanostrukturen herrührt.

Kleinste Nanostrukturen verleihen Perlmutt nicht nur einen samtenen Glanz, sondern auch besondere Festigkeit. Materialforscher entschüsselten nun die genaue Zusammensetzung. AdobeStock_elen31

Materialforscher sind immer auf der Suche nach Strukturen mit hoher Schadenstoleranz. Dabei müssen sie den Kompromiss zwischen Härte und Elastizität finden. Die Natur hat Hochleistungswerkstoffe mit unerreichter Festigkeit, Zähigkeit und Belastbarkeit erschaffen. Unter den Biomineralien wie Knochen, Zahnschmelz und verschiedene Biosilica, die für die Entwicklung neuer synthetischer Strukturmaterialien nachgeahmt werden sollen, ist Perlmutt das prototypische Supermaterial.

Wird Druck auf das Material ausgeübt, zeigt Perlmutt eine 40-fach höhere Bruchzähigkeit als das monolithische (einkristalline) Calciumcarbonat (Aragonit), aus dem es aufgebaut ist. Die Fähigkeit von Perlmutt, sich nur begrenzt zu verformen und kritische Spannungen abzubauen, bevor ein Bruch auftritt, wurde bislang nicht quantifiziert oder mit nanomechanischen Prozessen in Verbindung gebracht.

Eng verwebte Nanokomposite sorgen für Festigkeit

Ein internationales Team aus den Bereichen Material- und Geowissenschaften und Biologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), der University of Michigan, der Macquarie University in Sydney und der Université Bourgogne Franche-Comté hat nun das Geheimnis gelüftet, warum Perlmutt so widerstandsfähig ist.

Um die Ursache dafür zu finden, mussten die Forscher ganz genau hinschauen – mit Elektronenmikroskopen in den nanoskaligen Bereich. Hier entdeckten sie eng verbundene Kompositstrukturen aus Aragonit-Plättchen, die durch eine Art organischen Mörtel zusammengehalten werden – eine Anordnung, die zwar generell Festigkeit verspricht, aber die außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit von Perlmutt nicht gänzlich erklärt.

Nanokompositstruktur aus Aragonit-Plättchen | Gim et al. Nanoscale deformation mechanics reveal resilience in nacre of Pinna nobilis shell

Perlmutt ist aus geschichteten polygonalen Aragonit(CaCO3)-Plättchen aufgebaut (0,5 bis 1 µm dick und 10 bis 20 µm breit). Diese sind durch eine dünne Membran (etwa 5 bis 30 nm Dicke) aus organischem Material verbunden. Perlmuttplättchen können in einer Ziegel-Mörtel-ähnlichen Architektur im Blatt-Perlmutt von Muscheln angeordnet oder als vertikale Säulchen in Gastropoden gestapelt sein.

Die organische Fraktion von Perlmutt besteht aus organischen Membranen, in die Mineralplättchen in der Größenordnung 5 bis 20 nm eingebettet sind. Die Perlmuttplättchen haben eine strukturierte Oberflächenrauheit, von der vermutet wird, dass sie eine wichtige Rolle bei der Verhinderung des Verrutschens der Plättchen spielt. Oberflächenunebenheiten zwischen gegenüberliegenden Perlmuttplättchen bilden gelegentlich enge (20 bis 50 nm) Mineralbrücken.

Unter Druck wird die Belastung auf viele Plättchen verteilt – und Materialbruch verhindert

In ihrem Experiment übte das Team unter einem Elektronenmikroskop Druck auf die Muschelschalen aus und beobachtete in Echtzeit, was passierte. Bei Belastung der Schalen wird die organische Schicht beiseite geschoben und aufgrund der rauen Plättchenoberfläche verhaken sie sich untereinander. So wird die Belastung auf viele benachbarte Plättchen verteilt und Materialbruch verhindert. Wird der Druck weggenommen, springt die Struktur in ihre alte Form zurück, ohne an Festigkeit oder Elastizität zu verlieren.

(a) Schema der inneren Schalenoberfläche der Muschel P. nobilis (Quadrat zeigt Untersuchungsbereich); (b) HAADF STEM-Übersichtsbild der Querschnittsfläche der Perlmuttplättchen vor der Kompression; (c) Hochauflösendes STEM-Bild zweier Plättchen & ihrer organischen Grenzfläche vor der Komprimierung; (d) Plättchen, die unter einer Druckbelastung von 40 µN stark verzahnt sind; (e) Nach dem Belastungstest ziehen sich Plättchen & organische Grenzfläche in ihre ursprüngliche Morphologie zurück | Gim et al. Nanoscale deformation mechanics reveal resilience in nacre of Pinna nobilis shell

Die Wissenschaftler zeigten, wie große Kräfte Perlmutt in verzahnte Zustände treiben können, die es dem Material ermöglichen, Spannungen über mehrere Plättchen zu verteilen und die mechanische Energie durch die elastische Verformung von organischen Membranen zu absorbieren.

Nach Entfernung der Druckquelle, stellt das Perlmutt seine ursprüngliche Morphologie und mechanische Festigkeit wieder her.

 

Spannungsfortpflanzung wird durch organische Membranen begrenzt. (a), (b) Hellfeld-TEM (mit invertiertem Kontrast) unter niedrigen und hohen Druckkontaktspannungen. Unter geringer Druckspannung werden Dehnungskonturen zwischen den Plättchen erzeugt. Erhöht sich die Druckspannung, greifen Perlmuttplättchen ineinander & es entstehen größere, stabilere Konturen. (c) Dämpfung der Plättchendehnung entlang der Achse der Druckquelle. Maßstabsbalken 200 nm | Gim et al. Nanoscale deformation mechanics reveal resilience in nacre of Pinna nobilis shell

Ihre Ergebnisse erlauben es Materialforschern, eine neue Generation von bruchfesten keramischen Materialien zu entwickeln, die widerstandsfähig auf Belastungen reagieren, Anforderungen wie sie für Alltags- oder Spezialanwendungen in der Medizintechnik auftreten, beispielsweise für Zahn- und Knochenimplantate.

Gim, J., Schnitzer, N., Otter, L.M. et al. Nanoscale deformation mechanics reveal resilience in nacre of Pinna nobilis shell. Nat Commun 10, 4822 (2019). Published online 23 October 2019. DOI: doi.org/10.1038/s41467-019-12743-z.

22155682211846221184722118482212215 2215569 2211851
preload image 1preload image 2preload image 3preload image 4preload image 5preload image 6preload image 7preload image 8preload image 9preload image 10preload image 11preload image 12preload image 13preload image 14preload image 15preload image 16preload image 17preload image 18preload image 19preload image 20preload image 21preload image 22preload image 23preload image 24preload image 25preload image 26preload image 27preload image 28preload image 29preload image 30preload image 31preload image 32preload image 33preload image 34preload image 35preload image 36preload image 37preload image 38preload image 39preload image 40preload image 41preload image 42preload image 43preload image 44preload image 45preload image 46preload image 47preload image 48preload image 49preload image 50preload image 51preload image 52preload image 53preload image 54preload image 55preload image 56preload image 57preload image 58preload image 59preload image 60preload image 61preload image 62preload Themeimage 0preload Themeimage 1preload Themeimage 2preload Themeimage 3preload Themeimage 4preload Themeimage 5preload Themeimage 6preload Themeimage 7preload Themeimage 8preload Themeimage 9preload Themeimage 10preload Themeimage 11preload Themeimage 12preload Themeimage 13preload Themeimage 14preload Themeimage 15preload Themeimage 16preload Themeimage 17preload Themeimage 18preload Themeimage 19preload Themeimage 20preload Themeimage 21preload Themeimage 22preload Themeimage 23preload Themeimage 24preload Themeimage 25preload Themeimage 26preload Themeimage 27preload Themeimage 28
Bitte bestätigen Sie
Nein
Ja
Information
Ok
loginform
Kommentarvorschau
Kommentarvorschau schliessen
Antwort abbrechen
Ihr Kommentar ist eine Antwort auf den folgenden Kommentar

Keine Kommentare