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21.01.2019 | Materialentwicklung | Nachricht | Onlineartikel

Künstliches Perlmutt nach Maß

Autor:
Nadine Winkelmann

Zäher, härter, bruchfester – ETH-Forscher entwickeln ein von Perlmutt inspiriertes Material, dessen physikalische Eigenschaften gezielt eingestellt werden können.

Natürliches Perlmutt, wie es beispielsweise Muscheln bilden, ist eines der härtesten, stabilsten und steifsten Naturmaterialien. Unter dem Elektronenmikroskop sieht Perlmutt aus wie eine Miniatur-Backsteinmauer, deren Fugen mit Mörtel gefüllt sind. Die Backsteine sind winzig kleine aufeinander gestapelte Kalkplättchen, die durch Brücke verbunden sind. Der Mörtel ist eine organische Substanz.
Diese Struktur untersuchen und imitieren Forschende der Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich. Die Materialwissenschaftler nutzen dazu ein spezielles, von ihnen entwickeltes Verfahren, um solche perlmutt-ähnliche Materialien zu erzeugen.

Sie verwenden anstatt der Kalkplättchen kommerziell erhältliche Aluminiumoxid-Plättchen von wenigen dutzend Mikrometern Größe; als Fugenkitt fungiert ein Epoxidharz. In einem rotierenden Magnetfeld richten die Forschenden die in wässriger Lösung verteilten magnetisierten Plättchen wunschgemäß in einer Richtung aus. Unter hohem Druck und Temperaturen um 1000 °C verfestigen sie das Material unter Beigabe des Harzes. Dadurch entsteht ein Verbundmaterial mit einer Mikrostruktur, die der von natürlichem Perlmutt ähnelt.

Metalloxidbrücken verstärken Material

Um das künstliche Perlmutt noch stabiler und härter zu machen, sind die Aluminiumoxid-Plättchen mit Titanoxid beschichtet. Ab rund 800 °C bilden sich auf der Oberfläche der Plättchen Tröpfchen aus Titanoxid, die zu mineralischen Verbindungsbrücken ausreifen und so das gesamte Gefüge verfestigen. "Diese Brücken beeinflussen die Festigkeit des Materials maßgeblich", erklärt Kunal Masania, Co-Autor einer Studie dazu, die kürzlich in der Fachzeitschrift "PNAS" erschienen ist.

Die Dichte dieser Titan-Brücken lässt sich bei bestimmtem Druck und bei bestimmter Temperatur genau einstellen, sodass künstliches Perlmutt mit gewünschten Eigenschaften wie einer bestimmten Steifigkeit, Stärke und Bruchzähigkeit entsteht. Mithilfe eines Modells und Experimenten berechneten die Forscher, welche Druck- und Temperaturverhältnisse die Ausbildung der jeweiligen Eigenschaften fördern und welche vergleichbar sind mit der Steifigkeit von Kohlenfaserverbundwerkstoffen. Dem Team ist es gelungen, einen neuen Weltrekord in der Kombination der Steifigkeit, Härte und Risswiderstand in dieser Klasse von bio-inspirierten Materialen zu realisieren. Mit der neu entwickelten Technik lassen sich perlmuttähnliche Werkstoffe erzeugen, die für die jeweilige Anwendung maßgeschneiderte Eigenschaften aufweisen. Denkbare Anwendungen sind etwa der Flugzeugbau, die Raumfahrt oder auf der Bau.

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