Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Perlmutt setzt Maßstäbe

14.12.2009
Ein Sandwichmaterial wird besonders bruchfest, wenn es elastische und harte Nanoschichten im gleichen Verhältnis wie Perlmutt enthält

Wer das richtige Maß sucht, kann sich manchmal an der Natur orientieren - das gilt auch für Materialwissenschaftler: Muscheln etwa schichten im Perlmutt Proteine und Kalziumkarbonat genau im richtigen Schichtdickenverhältnis übereinander, um Perlmutt besonders bruchfest zu machen. Das haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Metallforschung herausgefunden: Nach dem Vorbild von Perlmutt haben sie Titandioxid und ein Polymer zu Verbundmaterialien übereinandergestapelt und dabei die Schichtdicken variiert. Hierbei erwies sich das natürliche Verhältnis der anorganischen und organischen Komponenten als das Stabilste. (Nano Letters, im Druck)


Stabiles Sandwich: Nanoschichten aus Titandioxid und Polymer machen ein Verbundmaterial besonders bruchfest, wenn ihre Dicken im Verhältnis 10:1 zueinander stehen. Bild: MPI für Metallforschung

Auch ein weiches Material kann ein hartes Material stabiler machen - wenn es elastisch und in die harte Substanz in Form nanometerdicker Schichten eingebettet ist. Muscheln ziehen im Perlmutt Proteinschichten zwischen Lagen von Aragonit-Kristallen, ein Mineral aus Kalziumkarbonat. Proteine sind weich aber elastisch wie Gummi. Deswegen ist das Material ihrer Schalen rund 3000 Mal bruchfester als reiner Aragonit. Zuvor gingen Materialwissenschaftler lange davon aus, dass sich ein Material nur mit einem härteren Zusatz festigen lässt.

Die Natur bewies aber nicht nur ein glückliches Händchen bei der Wahl der Stoffe, die Perlmutt stabil machen. In der Evolution, quasi einer natürlichen Versuchsreihe, optimierte sie auch das Verhältnis, in dem die Schichtdicken beider Materialien stehen. Das beläuft sich auf zehn zu eins, denn in Perlmutt schichten sich jeweils 400 Nanometer Aragonit und 40 Nanometer Protein übereinander. Das zumindest legt die Versuchsreihe nahe, die Zaklina Burghard und Joachim Bill gemeinsam mit Vesna Srot und Peter van Aken vom Stuttgarter Zentrum für Elektronenmikroskopie am Max-Planck-Institut für Metallforschung vorgenommen haben.

Die Forscher haben ein Verbundmaterial nach dem Vorbild von Perlmutt hergestellt. Dafür verwendeten sie allerdings nicht Aragonit und eine komplexe Mischung von Proteinen wie Muscheln. Sie setzten vielmehr auf Titandioxid und ein Polymer, da diese Materialien für technische Anwendungen interessanter sind. "Ein Vorteil dieser Ausgangsstoffe liegt auch darin, dass wir sie einfach aus Lösungen abscheiden können", sagt Zaklina Burghard, die an den Arbeiten maßgeblich beteiligt war. So haben die Forscher die beiden Komponenten schichtweise auf einer Siliziumunterlage aufgetragen.

Für das Titandioxid wählten sie dabei eine Dicke von rund 100 Nanometern. Die Stärke der Polymerschicht zwischen zwei Titandioxid-Lagen veränderten die Materialwissenschaftler zwischen 5 und 20 Nanometern. Alle Sandwichstrukturen, die sie so erzeugten, hielten deutlich höheren Belastungen stand als reines Titandioxid vergleichbarer Dicke. Am stabilsten war der Verbundstoff mit Polymerschichten, die wie die Proteinschichten im Perlmutt 10 Nanometer maßen: Es brach erst unter einem vier Mal größeren Druck als reines Titandioxid.

"Um das Material bruchfester zu machen, muss die organische Komponente elastisch sein", sagt Burghard: "Und ihre absolute Schichtdicke ist wichtig." Eine zu dünne Schicht bedeckt die Titandioxidlage nicht vollständig, da deren Oberfläche rau ist. Mehr als 10 Nanometer Polymer machen das Material insgesamt zu weich, wohingegen 10 Nanometer genau das richtige Maß bilden, um das Material zu stabilisieren.

Dann wirkt die Schicht als Bremse für Risse: In einem harten Material wie Titandioxid bilden sich zwar erst unter großem Druck Risse. Da ein hartes Material aber meist auch spröde ist, frisst sich ein Riss direkt ganz durch es hindurch, sobald er entstanden ist - das Material bricht. Eine elastische Polymerschicht wirkt wie gummiartiger Kitt zwischen zwei Mineralschichten und fängt einen Riss ab. Im Verbundwerkstoff reagiert die harte Komponente - egal ob Titandioxid oder Aragonit - daher viel weniger spröde. Und dabei wird es sogar noch härter, wenn es von 10 Nanometer dicken Polymerschichten durchzogen wird.

Trotz der stabilisierenden Polymerschichten reicht das Verbundmaterial der Stuttgarter Forscher noch nicht an Perlmutt heran. Und das, obwohl zumindest kristallines Titandioxid per se härter ist als Aragonit, aber eben nur in der kristallinen, geordneten Form. Die Stuttgarter Forscher bauen ihr Verbundmaterial bislang mit Partikeln aus ungeordnetem, weniger stabilem Titandioxid. Zudem geraten ihre Materialschichten nicht so eben wie im Perlmutt, weil sich die ungeordneten Titandioxidpartikel nicht gleichmäßig anordnen. Daher versuchen die Forscher jetzt, ein Verbundmaterial aus kristallinem Titandioxid herzustellen.

Schon jetzt könnte ihr Verbundmaterial weiße Farbschichten oder schmutzabweisende Beschichtungen kratzfest und elektronische Bauteile bruchsicher machen. Gelingt es ihnen, das Material mit kristallinem Titandioxid zu optimieren, könnte es als Werkstoff auch ganz neue Anwendungen finden, etwa als leichtes und robustes Material für die Beschichtung medizinischer Implantate.

Originalveröffentlichung:

Zaklina Burghard, Lorenzo Zini, Vesna Srot, Paul Bellina, Peter A. van Aken, and Joachim Bill
Toughening through Nature-Adapted Nanoscale Design
Nano Letters, im Druck
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Zaklina Burghard
Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart
Tel.: +49 711 689-3226
E-Mail: zburghard@mf.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Fraunhofer IFAM erweitert den Forschungsbereich »Beschichtungen für Bewuchs- und Korrosionsschutz«
11.01.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Schrauben mit Köpfchen
10.01.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis

16.01.2017 | Physik Astronomie

Erste "Rote Liste" gefährdeter Lebensräume in Europa

16.01.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz