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Biomaterial: Ameisen beißen mit metallischen Zähnen

Dank einer ungewöhnlichen Materialkombination sind die Kiefer einiger Tiere unseren Zähnen weit überlegen. Sie sind ebenso hart – aber viel stabiler.
Eine rote Waldameise sitzt auf einer Hand und blickt zur Kamera.Laden...

Ameisen müssen 60 Prozent weniger Kraft aufwenden, um Dinge durchzubeißen, als Tiere mit normalen Zähnen. Dadurch schneiden sie mühelos Blätter oder brechen gar die Panzer anderer Insekten auf, obwohl ihre Kiefer oft feiner als ein Menschenhaar sind. Ihr Trick ist eine Schneidkante, die dank eingelagerter Metallatome viel schärfer sein kann als klassische Biokomposite, berichtet eine Arbeitsgruppe um Robert M. Schofield von der University of Oregon. Anders als zum Beispiel beim Zahnschmelz besteht sie nicht aus Kristallen, die in eine Grundmasse aus Proteinen eingelagert sind, sondern aus einem homogenen Material, dessen Proteine mit Metallatomen wie Zink oder Mangan »gehärtet« sind. Wie das Team in »Nature« schreibt, ist sie dadurch vergleichbar hart wie klassische Biokomposite wie jene in Zähnen oder Krebsscheren, jedoch präziser strukturiert und auch bruchfester.

Das Team um Schofield untersucht seit geraumer Zeit solche mit schweren Elementen angereicherten Biomaterialien – eine Substanzklasse, die nicht nur bei Ameisen, sondern auch bei Skorpionen, Spinnen und einigen Meerestieren verbreitet ist. Lange war rätselhaft, wie diese Kompositmaterialien aufgebaut sind. Der sehr hohe Metallanteil, bis zu 18 Prozent in Zähnen mariner Würmer, legt eigentlich nahe, dass auch hier feine Metallstücke in das Protein der Kiefer eingebettet sind. Doch Messungen zufolge sind die Metallatome nicht untereinander verbunden. Stattdessen zeigte die Arbeitsgruppe nun mit Hilfe der Atomsondentomografie, dass das Metall auch in den allerfeinsten Strukturen homogen verteilt ist.

Durch ihre besonderen chemischen Eigenschaften funktionieren diese Metallatome als »Querverstrebungen«, die Proteine in sich sowie untereinander vernetzen und das Material härter machen. Dadurch ist der Werkstoff, aus dem die Zähne der Ameisen oder die Stachel der Skorpione sind, einheitlich aufgebaut. In klassischen Kompositmaterialien dagegen liegen harte Stoffe neben weichen, und die beiden Komponenten nehmen Lasten sehr unterschiedlich auf. So kann zum Beispiel das Material von Zähnen an der Grenze zwischen hartem Mineral und dem flexibleren Protein brechen, vor allem bei sehr feinen Strukturen.

Im Vergleich dazu kann etwa die in sich einheitliche, durch Zink vernetzte Schneide des Ameisenkiefers viel dünner sein – und damit viel schärfer. Bei der Blattschneiderameise Atta cephalotes ist sie lediglich 50 Nanometer dick. Gleichzeitig hat die chemische Vernetzung durch die Metallatome einen weiteren Effekt. Das Metall bildet mit den Proteinen koordinative Bindungen – und die können gelöst und neu geknüpft werden. Dadurch sind diese metallhaltigen Biomaterialien extrem abriebfest, wie das Team um Schofield bei mechanischen Tests feststellte. Entstehen Risse in dem Material, kann es sich selbst heilen, weil die Metallatome gelöste Bindungen einfach neu knüpfen.

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