Muscheln bestehen aus dem äußerst bruchfesten Material Perlmutt, in dem Proteine und Kalziumkarbonat im optimalen Schichtdickenverhältnis übereinander geschichtet sind. Nach diesem Muster haben Zaklina Burghard vom Max-Planck-Instituts für Metallforschung und ihr Team nun Titandioxid und ein Polymer übereinander gestapelt und auf diese Weise einen stabilen Verbundstoff herstellt.

Die Forscher trugen die beiden Komponenten schichtweise auf einer Siliziumunterlage auf, wobei sie für das Titandioxid eine Dicke von rund 100 Nanometern wählten. Die Stärke der Polymerschicht variierten die Materialwissenschaftler dann zwischen 5 und 20 Nanometern. Alle Sandwichstrukturen, die sie so erzeugten, hielten deutlich höheren Belastungen stand als reines Titandioxid vergleichbarer Dicke. Am stabilsten war der Verbundstoff wenn die Schichtdicken dasselbe Verhältnis wie im Perlmutt aufwiesen: Es brach erst unter einem vier Mal größeren Druck als reines Titandioxid.

Die elastischen Polymerschichten wirken dabei wie gummiartiger Kitt zwischen zwei Mineralschichten und fangen Risse ab, erläutern die Forscher um Burghard. In einem harten Material wie Titandioxid würden solche Schäden zwar erst unter großem Druck auftreten. Da ein hartes Material aber meist auch spröde ist, frisst sich ein Riss durch es hindurch, sobald er entstanden ist – das Material bricht.

Um die bruchfesten Eigenschaften noch zu verbessern, wollen die Forscher ihren Verbundstoff weiter optimieren. Bislang verwenden sie ungeordnetes und damit weniger stabiles Titandioxid. Zudem geraten ihre Materialschichten nicht so eben wie im Perlmutt, weil sich die ungeordneten Titandioxidpartikel nicht gleichmäßig anordnen. Daher versuchen die Wissenschaftler jetzt, ein Verbundmaterial aus kristallinem Titandioxid herzustellen.

Der Werkstoff könnte bereits jetzt weiße Farbschichten oder schmutzabweisende Beschichtungen kratzfest und elektronische Bauteile bruchsicher machen, schreiben die Autoren. In optimierter Form würde es sich zudem als leichtes und robustes Material für die Beschichtung medizinischer Implantate eignen.

Muscheln ziehen im Perlmutt 40 Nanometer dicke Proteinschichten – weich aber elastisch wie Gummi – zwischen 400 Nanometer messende Lagen von Aragonit-Kristallen, ein Mineral aus Kalziumkarbonat. Deswegen ist das Material ihrer Schalen rund 3000 Mal bruchfester als reiner Aragonit.