Eine feine Metallspitze, eine leichte Wechselspannung und eine komplexe Computertechnik zum Steuern und Auswerten – mit diesem Aufbau eines modernen Kraftmikroskops, das Piezosignale verarbeitet, haben Wissenschaftler um Alexei Gruverman von der North Carolina State University den Verlauf von Proteinen in Zähnen mit bislang ungekannter Auflösung vermessen.

Als piezoelektrischen Effekt bezeichnen Wissenschaftler die Eigenschaft mancher Materialien, auf elektrische Spannungen mit mechanischen Bewegungen zu reagieren. Umgekehrt können Verschiebungen zu Potenzialdifferenzen führen. Mit dem so genannten Piezoresponse Force Microscope (PFM) nutzt man dies zur Bildgewinnung: Eine feine elektrisch leitende Spitze wird in Kontakt mit der Probe gebracht und mit einer Wechselspannung verbunden. Die piezoelektrischen Reaktionen des Materials werden aufgezeichnet und analysiert.

Wie die meisten biologischen Materialien haben auch Zähne piezoelektrische Eigenschaften. Ihr Schmelz an der Oberfläche besteht zum größten Teil aus anorganischem Hydroxylapatit, enthält in seinen tieferen Schichten aber auch etwas Protein. Das darunter liegende Zahnbein oder Dentin ähnelt in seiner Zusammensetzung den Knochen und trägt entsprechend mehr Proteine, vor allem Kollagene. Dieses grobe Bild haben die Forscher nun mit ihrem Mikroskop verfeinert: In einer Auflösung von zehn Nanometern zeigen ihre Bilder piezoelektrische Felder und die spiraligen Verläufe der Proteine.

Im Prinzip lässt sich die Technik auf fast alle biologischen Proben anwenden. Die Wissenschaftler denken zunächst an Knochen und kalkhaltige Materialien.