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Künstliches Perlmutt: Schillernder Glanz aus dem Labor

Perlmutt aus der Natur und aus dem Labor

Mit Perlmutt bringen Mollusken wie die Kreiselschnecke und das Seeohr Glanz in ihre Hütte und halten Fressfeinde fern: Sie bilden auf der Schaleninnenseite das elastische Biomineral und verhindern damit die Rissausbreitung in der Schale. Über die Jahrhunderte hinweg schmückte der Mensch sich und seine Möbel mit dem schillernden Material; die Polynesier zahlten gar damit. Einer Forschergruppe um Ullrich Steiner von der University of Cambridge ist es jetzt gelungen, den glänzenden Stoff künstlich nachzubauen, und das ganz ohne die Hilfe der Fauna.

Hält dem Vergleich mit dem Original stand: Künstliches Perlmutt | Natürlich vorkommendes Perlmutt (im Bild links) ist ein organisch-anorganisches Verbundmaterial, in dem sich Multischichten von winzigen Plättchen aus Kalziumkarbonatkristallen mit porösem Chitin abwechseln. Die Forscher von der University of Cambridge schufen ein künstliches Perlmutt (rechts), das eine ähnliche Struktur und vergleichbare Eigenschaften besitzt.

Natürliches Perlmutt besteht aus porösen organischen Schichten aus Chitin, die sich mit Ebenen aus kristallinen Täfelchen von Aragonit abwechseln. Die Poren im Chitin ermöglichen es den Mineralplättchen, sich zu verbinden: Damit entsteht ein Material, das stoß- und bruchfest ist und dank seiner geschuppten Oberfläche das Licht in allen Regenbogenfarben reflektiert. Bisher war es unmöglich, Perlmutt nachzuahmen, da sich bei sämtlichen Versuchen die einzelnen Mineralschichten voneinander lösten.

Die Forscher um Steiner entwickelten nun eine Methode, mit der sie diesen lamellaren Aufbau nachempfanden. Sie erzeugten auf einem Objektträger mit einer Kombination aus zwei Kunststoffen eine Porenstruktur. Als sie den Objektträger anschließend unter Kohlenstoffdioxidatmosphäre in eine Kalziumionenlösung tauchten, schieden sich auf Grund der Oberflächenladung des Polymers kleine Tröpfchen ab. Diese verbanden sich zu einer amorphen Kalziumkarbonatschicht und kristallisierten in feuchter Umgebung zu Kalzit. Nach mehreren solcher Beschichtungszyklen erhielten die Wissenschaftler ein Material, in dem parallel angeordnete 400 Nanometer dicke Kalzitplättchen von 30 Nanometer dicken Polymerschichten zusammengehalten wurden. Damit liegen die Forscher sehr nah an dem natürlichen Aufbau.

Das künstliche Perlmutt besitzt ähnliche mechanische Eigenschaften wie das Original: Der Kunststoff macht es etwas elastischer, die Steifigkeit bewegt sich allerdings in derselben Größenordnung. Auch optisch kann es mithalten – die künstliche Oberfläche reflektiert das Licht nach einem ähnlichen Interferenzmuster wie das biogene Material. Da alle Komponenten kostengünstig sind, ist es möglich, ganze Bauteile wie Autoinnenverkleidungen oder große Flächen mit dem stoßfesten schimmernden Perlmuttreplikat zu veredeln. Ein weiterer Vorteil: Das künstliche Perlmutt ist relativ schnell zu synthetisieren – für eine komplette Doppelschicht aus Kunststoff und Mineral benötigten die Forscher nur fünf Stunden.

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