Nach dem Muster von Muscheln

Ein titandioxidhaltiges Verbundmaterial mit Perlmutt-Struktur ist härter als reines Titandioxid.

Perlmutt schillert nicht nur samtig bunt, es ist auch sehr hart, steif und widerstandsfähig. Denn das natürliche Material ist in Kalkschichten mit einem Mörtel aus Proteinen und Chitin aufgebaut. Nach diesem Bauprinzip haben Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Metallforschung nun ein Material aus Titandioxid und organischen Polymeren hergestellt. Diese Stoffe kommen in der Natur nicht vor, sind aber technisch relevant, weil sich daraus kratzfeste Beschichtungen herstellen lassen. Und tatsächlich ist das neue Verbundmaterial dank der Struktur aus mehreren Lagen mit organischem Bindemittel härter als eine Schicht reinen Titandioxids, wie die Forscher nun nachgewiesen haben.

Was robust und zweckmäßig ist, kann auch schön sein - Perlmutt zum Beispiel: Dass es so irisierend wirkt, ist eigentlich nur ein Nebeneffekt seiner soliden Konstitution. Seine Struktur ähnelt einer Mauer, in der sich Kalk-Ziegeln und eine Art Biomörtel übereinander schichten. Dieses Bauprinzip wirkt wie ein optisches Gitter, das weißes Licht in die Regenbogenfarben auffächert. Vor allem aber macht es Perlmutt bis zu 3000 Mal bruchfester als gewöhnlichen Kalkstein. So drastisch gewinnt das Verbundmaterial, das die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Metallforschung aus mehreren Schichten Titandioxid und organischen Polymeren hergestellt haben, nicht an Festigkeit. Doch die Perlmutt-Struktur macht den anorganischen Werkstoff immerhin um gut 15 Prozent härter.

„Wir haben damit gezeigt, dass sich das Bauprinzip eines natürlichen Materials auf Stoffe übertragen lässt, die Organismen nicht verwenden“, sagt Zaklina Burghard, eine der beteiligten Wissenschaftlerinnen. „Und vor allem, dass wir auch solche Materialien auf diese Weise härter machen können.“ Gleichzeitig wird das Verbundmaterial auch elastischer. Beschichtungen aus solchen Verbundmaterialien könnten Oberflächen etwa von Kunststoffen kratzfester machen oder in elektronischen Bauteilen wie Transistoren für eine widerstandsfähige Isolation sorgen. Zudem lassen sich Oberflächen mit solchen Beschichtungen möglicherweise nicht nur härten, sondern gleichzeitig auch vor Beschlagen oder Bakterienbefall schützen. Unter den richtigen Bedingungen zerfließen an Titandioxid nämlich Wassertopfen zu größeren Flächen und leiten Reaktionen ein, die Mikroben zerlegen.

Abb.: Querschnitt durch eine natürliche Muschelschale (rechts) und das titanhaltige Verbundmaterial der Stuttgarter Forscher (links): durch die Schichtstruktur wird das Material hart und kratzfest. (Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung)

Solche großtechnischen Anwendungen sind nicht zuletzt möglich, weil die Materialwissenschaftler den Muscheln nicht nur die Struktur ihrer Schalen abgeguckt haben, sondern auch den Herstellungsprozess. „Die Muschel produziert Keramik auf sehr einfache Weise“, sagt Joachim Bill, in dessen Arbeitsgruppe das Verbundmaterial aus Titandioxid und den organischen Polymeren hergestellt wurde. Wie die Schalentiere erzeugen er und seine Mitarbeiter also zunächst eine dünne organische Schicht, die als eine Art Schablone für die anorganische keramische Schicht dient. Anders als Muscheln verwenden sie jedoch Silizium als Untergrundmaterial, das sie mit einem Polyethylenimin, einem Polystyrolsulfonat und einem Polyallylamin überziehen; ein Roboter tunkt das Siliziumplättchen dabei nach einem standardisierten Verfahren so oft in Lösungen dieser Polyelektrolyten - vielfach geladenen Polymeren - bis die Schicht 25 Nanometer dick ist. Anschließend tauchen sie das organisch beschichtete Silizium in die wässrige Lösung eines Titansalzes, aus der sich dann eine rund 125 Nanometer dicke Oxidschicht auf der organischen Oberfläche abscheidet.

In einem ähnlichen Verfahren bauen auch Muscheln ihre Schalen auf - sie schaffen jedoch einen organischen Untergrund aus Proteinen und Chitin, auf dem sich aus dem Meerwasser dann Kalziumcarbonat abscheidet. „Solche bioinspirierten Synthesen sind bei niedrigen Temperaturen und in einem Töpfchen mit Salzlösung möglich“, sagt Joachim Bill: „Für andere Verfahren, die solche dünnen Schichten erzeugen, sind sehr viel aufwändigere Apparaturen nötig.“

Das Herstellungsverfahren für solche feinen Schichten haben die Wissenschaftler sehr vereinfacht. Deren mechanische Eigenschaften zu untersuchen, bleibt aber auch für sie eine diffizile Angelegenheit. Gewöhnliche Messinstrumente würden an den nanometerdünnen Proben nur Schaden anrichten. Um also die Härte und die Elastizität des Titandioxid-Verbundmaterials zu prüfen, nutzen die Stuttgarter Wissenschaftler die Methode der Nanoindentation. Mit sehr vorsichtig dosierter Last treiben sie eine Spitze, die selber nur wenige Quadratnanometer misst, in das Material. Dabei messen sie den Druck, der nötig ist, um die Oberfläche zu verformen.

Mit derselben Methode prüfen die Wissenschaftler derzeit Verbundmaterialien, in denen sie die Dicken der organischen und anorganischen Schichten variieren. „Auf diese Weise wollen wir herausfinden, welcher Aufbau die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials optimiert.“ Außerdem möchten sie untersuchen, ob die Perlmutt-Struktur auch andere Materialien wie Zinkoxid härtet und vielleicht sogar generell die mechanische Qualität eines Stoffs verbessert. „Möglicherweise kommen wir auch zu noch besseren Ergebnissen, wenn wir wie Muscheln für die organischen Schichten Proteine verwenden“, sagt Bill. Also probieren sie genau das derzeit aus.

Quelle: MPG/[PH]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Zaklina Burghard, Aleksandar Tucic, Lars P.H. Jeurgens, Rudolf C. Hoffmann, Joachim Bill und Fritz Aldinger, Nanomechanical Properties of Bioinspired Organic-Inorganic Composite Films, Advanced Materials, 29. März 2007.
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de
• Max-Planck-Institut für Metallforschung, Stuttgart:
  http://www.mf.mpg.de