Nach dem Vorbild von Perlmutt haben US-Forscher ein superhartes Material geschaffen. Mit einer speziellen "Gefrier-Guss-Technik" kombinierten sie zwei an sich eher schwache Ausgangsstoffe zu einem extrem harten, bruchfesten Material. Die Wissenschaftler stellen ihr Verfahren im Magazin "Science" vor.

Stoffe, die gleichzeitig sehr fest und belastbar sind, sind technisch schwer herzustellen. In der Natur sind sie vielfach vorhanden, etwa Knochen, Holz oder eben Perlmutt. Ihre besonderen Eigenschaften verdanken sie ihrer komplexen, ausgeklügelten Struktur. Perlmutt etwa besteht zu 95 Prozent aus Aragonit (Kalziumkarbonat CaCO3), das in Form von extrem dünnen Plättchen übereinander geschichtet ist. Die Schichten sind über eine dünne Lage eines organischen Materials miteinander verbunden.

Zusammen härter als die Einzelteile

In dieser Anordnung besitzen die Materialien eine Härte, die weit über jene der beiden Ausgangsmaterialien hinausgeht. So ist das Aragonit an sich zwar hart, aber auch extrem brüchig, sobald es etwa gedehnt oder deformiert wird. Dies ermöglichen nun die organischen Komponenten: Sie sorgen dafür, dass sich die Aragonit-Schichten gegeneinander verschieben lassen. So erhält das Material seine große Bruchfestigkeit.

Diesen Härtungsmechanismus der Natur imitierten die Forscher um Robert Ritchie vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley/US-Staat Kalifornien). Ausgangsstoffe waren Aluminiumoxid als Keramik-Bestandteil und das Polymer Polymethylmetacrylat (PMMA). Die Forscher ließen eine wässrige Lösung des Aluminium-Keramik-Materials unter kontrollierten Bedingungen frieren.

Die sich bildenden Eiskristalle lieferten dabei die Vorlage für ein poröses Keramik-Gerüst, dessen Architektur die Forscher durch gezieltes Pressen zusätzlich beeinflussten. Dieses Gerüst füllten sie dann mit dem Polymermaterial auf. In weiteren Experimenten verfeinerten sie die Struktur des Materials, um sich möglichst weit dem Vorbild Perlmutt anzunähern. Eine vollständige Imitation ist ihnen noch nicht gelungen, ihr Material erreiche aber die Härte und Bruchfestigkeit des Materials bestimmter Aluminiumlegierungen, schreiben die Wissenschaftler.