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Materialwissenschaft: Schillernde Beständigkeit

Im rechten Licht schimmert Perlmutt in allen erdenklichen Farben und verzückt so manchen Betrachter. Dabei bleibt verborgen, dass es außergewöhnlich stabil und korrosionsresistent ist und in diesen Disziplinen sogar die Summe seiner Teile übertrifft. Seit Jahren versuchen sich Wissenschaftler daran, den Trick der Natur zu verstehen.
Schillerndes Perlmutt
Eine Perlmuttschicht zu besitzen, ist in der Natur nichts Besonderes – in den Tiefen des Meeres schützt die harte Haut Schnecken und Muscheln vor hohem Druck, Algen und Bakterien und vor allem natürlich vor ihren Fressfeinden. Gegen den Menschen ist der widerstandsfähige Panzer allerdings wehrlos: Geschliffen und poliert galten die Schalen der Perlaustern beispielsweise lange Zeit als gängiges Zahlungsmittel, verzieren noch heute alle denkbaren Luxusgüter oder in Form von Knöpfen kostbare Kleider. Ihre ungewollte Hauptrolle spielen sie aber nach wie vor in der Damenwelt – als Schmuck.

In diesem Zusammenhang würde man wohl kaum auf die Idee kommen, die wertvolle Pracht unter die Räder eines Trucks zu legen. Doch Perlmutt würde diesen Härtetest bestehen, ohne zu zerbrechen. Angesichts seines Hauptbestandteils Aragonit, einem Mineral aus Kalziumkarbonat, ist das sehr verwunderlich, denn dieser ist etwa dreitausend Mal fragiler.

Wie unsere Zähne oder Knochen besteht Perlmutt aus einer Kombination aus organischen Molekülen und mineralischen Komponenten. Allerdings sind nur läppische fünf Prozent des Materials organisch und werden aktiv vom Organismus gebildet, während 95 Prozent in einem Selbstorganisationsprozess entstehen, also ohne Zutun des Tieres. Und das alles bei Raumtemperatur und Normaldruck – Werkstoffentwickler geraten dabei ins Schwärmen.

So rückten Forscher dem edlen Material in den vergangenen Jahren mit Mikroskopen und anderer Technik zu Leibe, um schließlich herauszufinden, dass es ähnlich wie eine Klinkerwand aufgebaut ist: Etwa fünfhundert Nanometer dicke Plättchen aus Aragonit-Kristall stapeln sich aufeinander, wobei sie durch eine dünne organische Schicht – in diesem Bild also der Mörtel – getrennt sind. So lassen sich übrigens auch seine schillernden Farben verstehen: Das einfallende Licht wird an den Kristallschichten reflektiert, sodass Interferenzeffekte auftreten.

Ein Seeohr in der Hand | Perlmutt, wie hier in der Schale des Meerohrs, gilt als Vorbild für neue Werkstoffe.
Pupa Gilbert von der Universität von Wisconsin-Madison und ihr Team interessierten sich allerdings mehr für das Innenleben der Scheibchen als für deren optischen Eigenschaften. Sie wollten wissen, wie die einzelnen Aragonit-Kristalle innerhalb der Schale orientiert sind. Für diesen Zweck nahmen sie die perlmuttreiche Schale von Meerohren oder Abalone unter die Lupe. Mit Hilfe von Röntgenstrahlung lösten die Wissenschaftler nun Elektronen aus dem Material, die dann je nach Ausrichtung des betroffenen Kristalls in eine bestimmte Richtung flogen. Sie verfolgten den Weg der Teilchen und setzen die Information in ein Bild um.

Darauf zeigten sich zackenförmige Säulen aus Kristallen, die je nach Orientierung weiß, schwarz oder grau erschienen. Das Perlmutt sah alles andere als einheitlich aus: Unordentliche Stapel aus Aragonit–Kristallen erinnerten an achtlos aufeinander getürmte Münzen, beschreibt Gilbert. Die Plättchen eines Stapels zeigten zwar die gleiche Kristallorientierung, doch benachbarte Kristalle konnten ganz anders ausgerichtet sein. Diese versetzt angeordneten Kristalle könnten verhindern, dass sich Risse durch das gesamte Material ziehen, meint Gilbert.

Mit dem neu gewonnenen Wissen versuchten die Forscher auch ein Modell zu entwickeln, das die Entstehung einer solchen Struktur beschreibt. Sie vermuten, dass in der Schale der Schnecke zunächst eine Art Gerüst aus organischem Mörtel gebildet wird, in dem zufällig einige Löcher als Kristallkeime eingelagert sind. Dort beginnen die Kristalle zu wachsen und breiten sich solange zur Seite aus, bis sie an einen anderen Kristall stoßen. Nach oben wuchern sie, bis sie auf die darüber liegende Mörtelschicht stoßen.

Trifft ein Kristall in der nächsten Ebene nun auf ein Loch, so regt er dort das Wachstum eines neuen Kristalls mit derselben Orientierung an. Schrittweise entsteht so ein unregelmäßiger Stapel aus Aragonit-Plättchen. Was letztlich die Bauweise des Perlmutts bestimmt, ist demnach weniger die Physik des Kristallwachstums, sondern die Biologie der winzigen Menge an organischen Bestandteilen. Und der auf die Schliche zu kommen, dürfte die Forscher noch einige Zeit beschäftigen.

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