Gesundheit: Klein sei, was hart macht

Wenn die Natur harte und sehr feste Baustoffe herstellen will, dann verwendet sie einen Materialmix. Knochen und Zähne etwa bestehen aus harten, aber spröden Mineralien, die mit weichen Eiweißen versetzt sind. Solche Komposite bringen bereits eine große Stabilität, aber es kommt noch etwas anderes hinzu: Die festen Teilchen dürfen nur eine ganz bestimmte Größe haben.

Wissenschaftler des MaxPlanck-Instituts für Metallforschung in Stuttgart und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften an der Universität Leoben haben festgestellt, dass die günstigste Partikelgröße im Bereich unter 30 Nanometern (millionstel Millimeter) liegt. Dann wird das Material trotz aller Fehler im Aufbau so belastbar wie ein perfekter Kristall.

Interessant sind solche Erkenntnisse für Materialforscher, die auf der Suche nach neuen Werkstoffen sind. Um solche Substanzen in Alltagsprodukten zu nutzen, müssen die Stoffe preiswert herzustellen sein. Das betrifft nicht nur die Beschaffung der Rohstoffe, sondern auch ihre Verarbeitung.

Manche Materialeigenschaften sind aber gar nicht so einfach zu vereinbaren: Da wünscht man sich einen Werkstoff, der gleichzeitig hart ist, aber nicht spröde. Er darf bei Schlägen nicht zerspringen, muss also auch zäh sein. Seit der Bronzezeit versucht der Mensch daher, diese Eigenschaften in Legierungen zusammenzubringen.

Bei der Verarbeitung entstehen jedoch nicht immer perfekte kristalline Strukturen. Es bilden sich „Versetzungen“ im Aufbau, die bei Belastung schnell zu Rissen führen können. Bislang nahm man an, dass man die Strukturen nur so perfekt wie möglich darzustellen hat, um die Rissgefahr zu verringern. Das aber ist sehr aufwändig. Gesucht werden daher Werkstoffe, die hart, zäh und in ihrem Aufbau „fehlertolerant“ sind.

Wie die Natur das macht, kann man beim Vergleich zwischen Perlmuttschalen und Knochen erkennen. In beiden Fällen ist der Kalk in Form von Nano-Plättchen in ein Protein-Gitter eingebaut. Die Kalkplättchen übernehmen dabei die Zugbelastungen, während das Gitter der Eiweiße die einwirkenden Kräfte möglichst weiträumig verteilt.

Die Perlmuttschalen sind schon nicht schlecht gelungen: ihre Bruchfestigkeit ist 3000 Mal größer als das eingebettete Material, der Kalk. Knochen wiederum sind deutlich fester als solche Schalen – obschon sich die Rohstoffe kaum unterscheiden. Und das brachte die Forscher darauf, dass die Festigkeit etwas mit der Größe der Partikel zu tun hat. Denn die Kalkplättchen der Schalen sind mehrere 100 Nanometer groß, die der Knochen nur wenige Nanometer. gih

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