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MATERIALFORSCHUNG: Perlmutt nach dem Vorbild der Natur

Perlmutt entsteht auf den Schalen bestimmter Weichtiere, etwa der Kreiselschnecken (Trochidae), den Seeohren (Haliotis) und verschiedener Perl­muscheln (Pinctada). Das Biomineral ist stoß- und bruchfest und unterbindet Rissbildungen in der Schale.

Diese außergewöhnliche Stabilität liegt im Auf­bau begründet: Zahlreiche Kristallplättchen aus Aragonit (Kalziumkarbonat), die jeweils nur 0,5 Mikrometer Dicke besitzen, sind komplex verzahnt und mit einem transparenten Biomörtel aus Chitin und Proteinen verbunden. Diese Schicht-struktur erklärt auch den schillern­den Glanz des Materials: Die Reflexion des einfallenden Lichts an den zahllosen Kristallschichten führt zu Interferenz­effekten.

Schon seit Längerem versuchen Materialforscher, Perlmutt künstlich herzustellen. Bisher waren dazu hohe Temperaturen und spezielle Ausgangsstoffe nötig, und dennoch reichten die Ergebnisse bei wichtigen Eigenschaften wie Härte, Festigkeit und Glanz nicht an das natürliche Vorbild heran. Eine Arbeitsgruppe um Shu-Hong Yu von der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei hat nun ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, das schillernde Material nach dem Vorbild der Natur langsam wachsen zu lassen. Das künstliche Perlmutt ist etwa ein bis zwei Millimeter dick, aus Schichten kleiner Kalziumkarbonatplättchen aufgebaut und widersteht in Tests der Rissbildung ähnlich gut wie das natürliche Vorbild.

Um das Anwachsen des Materials bei Schalentieren nachzuahmen, erzeugen die Wissenschaftler zunächst eine lamellenähnliche Struktur aus dem Polysaccharid Chitin. Durch diese pumpen sie anschließend eine Salz­lösung, was dazu führt, dass entlang der Chitinlamellen feine Plättchen aus Aragonit auskristallisieren – jener Variante des Kalziumkarbonats, die sich auch in Perlmutt findet.

Schließlich fügen die Forscher zwischen die mineralisierten Lamellen das Strukturprotein Fibroin ein, welches in Seide enthalten ist, und pressen den Stapel bei 80 Grad Celsius zusammen. Das Ergebnis ist eine Schichtstruktur aus parallelen Aragonitplättchen, die von Chitin und Fibroin stabilisiert wird und sowohl äußerlich wie in den mechanischen Eigenschaften natürlichem Perlmutt ähnelt.

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