Künstliches Perlmutt nach Mass

Nat¨¹rliches Perlmutt, wie es beispielsweise Muscheln bilden, ist eines der h?rtesten, stabilsten und steifsten Naturmaterialien, Forscherinnen und Forscher sind seit jeher davon fasziniert. Der Aufbau von Perlmutt ist gar nicht einmal so komplex: unter dem Elektronenmikroskop sieht es aus wie eine Miniatur-Backsteinmauer, deren Fugen mit M?rtel gef¨¹llt sind. Die Backsteine sind winzig kleine aufeinander gestapelte Kalkpl?ttchen, welche durch Br¨¹cke verbunden sind. Der M?rtel ist eine organische Substanz.

Diese Struktur untersuchen und imitieren ETH-Forschende von der Gruppe Komplexe Materialien, geleitet von Andr¨¦ Studart. Die Materialwissenschaftler nutzen dazu ein spezielles, von ihnen entwickeltes Verfahren, um solche perlmutt-?hnliche Materialien zu erzeugen.

So verwenden sie anstatt der Kalkpl?ttchen kommerziell erh?ltliche Aluminiumoxid-Pl?ttchen von wenigen dutzend Mikrometern Gr?sse, als Fugenkitt fungiert ein Epoxidharz. In einem rotierenden Magnetfeld richten die Forschenden die in w?ssriger L?sung verteilten magnetisierten Pl?ttchen wunschgem?ss in einer Richtung aus, und unter hohem Druck und Temperaturen um 1000 Grad Celsius verfestigen sie das Material unter Beigabe des Harzes. Dadurch entsteht ein Verbundmaterial mit einer Mikrostruktur, die der von nat¨¹rlichem Perlmutt ?hnelt.

Metalloxidbr¨¹cken verst?rken Material

Um das k¨¹nstliche Perlmutt noch stabiler und h?rter zu machen, verwendete das Team neu Aluminiumoxid-Pl?ttchen, die mit Titanoxid beschichtet sind. Ab rund 800 Grad Celsius bilden sich auf der Oberfl?che der Pl?ttchen Tr?pfchen aus Titanoxid, die zu mineralischen Verbindungsbr¨¹cken ausreifen und so das gesamte Gef¨¹ge verfestigen. ?Diese Br¨¹cken beeinflussen die Festigkeit des Materials massgeblich?, sagt Kunal Masania, Co-Autor einer Studie, die soeben in der Fachzeitschrift externe Seite PNAS erschienen ist.

Die Dichte dieser Titan-Br¨¹cken l?sst sich bei bestimmtem Druck und bei bestimmter Temperatur genau einstellen, sodass k¨¹nstliches Perlmutt mit gew¨¹nschten Eigenschaften wie einer bestimmten Steifigkeit, St?rke und Bruchz?higkeit entsteht. Mithilfe eines Modells und von Experimenten berechneten die Forscher, welche Druck- und Temperaturverh?ltnisse die Ausbildung der jeweiligen Eigenschaften f?rdern, welche vergleichbar sind mit der Steifigkeit von Kohlenfaserverbundwerkstoffen. Dem Team ist es gelungen, einen neuen Weltrekord in der Kombination der Steifigkeit, H?rte und Risswiderstand in dieser Klasse von bio-inspirierten Materialien zu realisieren.

Mit der neu entwickelten Technik lassen sich perlmutt?hnliche Werkstoffe erzeugen, die f¨¹r die jeweilige Anwendung massgeschneiderte Eigenschaften aufweisen. Denkbare Anwendungen sind etwa der Flugzeugbau, die Raumfahrt oder auf dem Bau.