So unverwüstlich wie ein Glas-Skelett

Materialforschung nach Vorbild der Natur

Schon die kleinsten Risse verringern die Lebensdauer von Bauteilen. Sie entstehen unbemerkt bereits während der Herstellung oder im Betrieb. Der Werkstoff wird sukzessive geschädigt, bis der Bauteil bricht oder eine notwendige Funktion nicht mehr ausfüllen kann.

Kein Wunder also, dass Materialien, in denen sich Risse gar nicht oder nur schwer ausbreiten, der Traum jedes Bauteil-Entwicklers sind. Die Natur macht vor, wie es gehen soll. So ist beispielsweise das Skelett des Tiefseeschwammes Euplectella nahezu unverwüstlich, obwohl es hauptsächlich aus Glas besteht. Ähnlich widerstandsfähig gegen Risse und Bruch ist Perlmutt.

Doch wie machen das diese Materialien? Was geschieht mit einem Riss in einem Tiefseeschwamm-Skelett? Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Otmar Kolednik vom Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der ÖAW hat eine Methode entwickelt, mit der sich das Verhalten von Rissen in elastisch-plastischen Materialien besser als bisher untersuchen lässt.

Ein Geheimnis der Widerstandsfähigkeit mancher biologischer Materialien ist ihr inhomogener Aufbau, und das wird in der Materialentwicklung bereits seit langem genutzt. Fast alle modernen technischen Materialien sind in ihrer Mikro- und Nanostruktur inhomogen aufgebaut. "Oft werden die Materialeigenschaften auch absichtlich verändert, um zum Beispiel hohe Härte an der Oberfläche und gute Zähigkeit im Inneren eines Schneidwerkzeuges zu kombinieren", erklärt Otmar Kolednik. "Aber erst seit kurzem wissen wir, dass bestimmte Materialkombinationen dazu führen können, dass Risse nicht weiter wachsen."

Das Skelett des Tiefseeschwammes besteht beispielsweise zu 95 Prozent aus Glas, das bekannterweise sehr spröd ist und leicht bricht. Die dünnen, weichen Proteinlagen zwischen den Glasschichten erzeugen aber eine Schutzschildwirkung, die die Ausbreitung eines Risses verhindern kann. Ansatzweise werden solche Effekte heute schon genützt, um die Brucheigenschaften von keramischen Schichtwerkstoffen zu verbessern, aber es gibt noch keine technischen Verbundwerkstoffe, die ähnlich widerstandsfähig gegen Risse sind, wie Euplectella.

Mit der neuen Methode können die Forscher nun das Rissverhalten in elastisch-plastischen Materialien detaillierter untersuchen, als das bisher möglich war. Die Forscher berichten darüber im Fachblatt "Journal of the Mechanics and Physics of Solids". Sie hoffen, dass man damit auch die Wirkungsweise der Proteinlagen im Skelett des Tiefseeschwammes noch besser verstehen kann, um in Zukunft einmal extrem bruchresistente Werkstoffe bauen zu können.


Publikationen:
N.K. Simha, F.D. Fischer, G.X. Shan, C.R. Chen, O. Kolednik: J-integral and Crack Driving Force in Elastic-Plastic Materials. Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2008), doi: 10.1016/j.jmps.2008.04.003
Abstract

P. Fratzl, H.S. Gupta, F.D. Fischer, O. Kolednik: Hindered Crack Propagation in Materials with Periodically Varying Young"s Modulus - Lessons from Biological Materials. Adv. Mater. (2007), 19, 2657-2661

C.R. Chen, J. Pascual, F.D. Fischer, O. Kolednik, R. Danzer: Prediction of the fracture toughness of a ceramic multilayer composite - Modeling and experiments. Acta Materialia 55 (2007) 409-421.


Kontakt:
Prof. Dr. Otmar Kolednik
Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Jahnstr. 12, 8700 Leoben
T +43 3842 804-114
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