Perlmutt in höchster Auflösung

Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) haben neue Feindetails im Aufbau von Perlmutt entdeckt

Perlmutt, „die Mutter der Perlen“, ist nicht nur ein schillerndes Material, das den Betrachter durch seine irisierenden optischen Eigenschaften beeindruckt und das oft als Schmuck Verwendung findet, sondern auch ein hervorragender Werkstoff. Perlmutt besteht zu mindestens 97 Prozent aus Kalk, hat aber eine tausend Mal höhere Bruchfestigkeit als dieser. Ursache hierfür ist der Schichtaufbau des Perlmutts. Max-Planck- und BAM Wissenschaftler haben jetzt entdeckt, dass die Oberfläche der Kalkplättchen keineswegs wie bisher angenommen geordnet ist, wodurch eine Steuerung des Kristalls durch geordnete Schichten auf der organischen Matrix ausgeschlossen werden kann. Das Verständnis der Feinstruktur von Perlmutt und seines Bildungsmechanismus ist essentiell, um dieses raffinierte Bauprinzip bei neuen Materialien nachahmen zu können (PNAS, 6. September 2005).

Perlmutt ist seit langem als interessantes biogenes Material bekannt. Seither versucht man, die Ursachen seiner erstaunlichen Eigenschaften aufzudecken. Seine außergewöhnliche Bruchfestigkeit verdankt es einem schichtförmigen Aufbau aus weichen organischen Schichten und harten Kalkplättchen.

Gelänge es uns auch nur im Ansatz, dieses Bauprinzip zu kopieren, käme es zu einer Revolution in der Bauindustrie. Festere Gipskartonplatten oder leichtere Betonteile bei gleicher Festigkeit sind das potentielle Ziel dieser biomimetischen Materialforschung. Zudem kristallisieren die Kalkplättchen im Perlmutt als Aragonit – einer Kristallform, die unter Umgebungsbedingungen normalerweise nicht stabil ist. Bisher nahm man an, dass diese Kristallisation der Kalkplättchen durch geordnete Eiweißschichten bestimmt wird, die auf einer vorgeformten Chitinschicht liegen. Chitin findet man in der Natur beispielsweise als Gerüstmaterial von Insektenpanzern.

Doch diese Annahmen sind nach den neuen Erkenntnissen der Max-Planck-Wissenschaftler nicht richtig. An Stelle der geordneten kristallinen Schicht, die in Kontakt mit der organischen Matrix stehen soll, fanden die Wissenschaftler winzige, nur fünf Nanometer dicke Schichten von amorphem, also ungeordnetem Kalziumkarbonat an der Oberfläche der einkristallinen Plättchen im Perlmutt.

Diese ungeordnete und gewellte Oberfläche spricht gegen die postulierte spezifische Wechselwirkung zwischen dem anorganischen Material und der organischen Matrix. Dieser Befund konnte durch 13C- und 1H-Festkörper-Kernresonanzspektroskopie eindeutig belegt werden. Darüber hinaus detektierten die Forscher in Kernresonanzexperimenten den amorphen Charakter der Oberflächenschicht und schlossen jede Wechselwirkung dieser Schicht mit dem organischen Gerüstmaterial aus.

Der Grund für die Existenz und Ausbildung der ungeordneten Deckschicht auf dem Kristall könnte darauf beruhen, dass sich Verunreinigungen in der Oberflächenschicht anreichern. Bei der Kristallisation werden diese nicht in das geordnete Kristallgitter eingebaut, ähnlich wie beim Zonenschmelzprozess in der Metallurgie.

Doch die amorphe Schicht (ACC) könnte noch eine weitere Funktion haben. Sie ersetzt die bisher angenommene direkte Wechselwirkung der hochenergetischen (001) Aragonit-Fläche durch eine Gradientenschicht aus Aragonit, ACC und organischer Matrix. Die Grenzflächenenergien dürften hier deutlich niedriger liegen und damit könnte auch eine thermodynamische Triebkraft für die Ausbildung einer amorphen Deckschicht existieren. Woher letztendlich die kristallographische Orientierung der Plättchen rührt, ist bislang noch nicht aufgeklärt. In der jetzt vorgelegten Studie gehen die Wissenschaftler von einer Ladungsanziehung zwischen den anorganischen Plättchen und der organischen Matrix aus.

Originalveröffentlichung:

Nadine Nassif, Nicola Pinna, Nicole Gehrke, Markus Antonietti, Christian Jäger, and Helmut Cölfen
Amorphous layer around aragonite platelets in nacre
PNAS 2005 102: 12653-12655; published online before print: August 29 2005, print: September 6, 2005, Vol. 102, No. 36