Jedes Kind weiß, dass Glas leicht bricht. Darum mag es erstaunen, dass die Natur gerade Glas als Skelett-Material auserkoren hat. Noch dazu eines Geschöpfes, welches in seinem natürlichen Lebensraum einem permanenten Druck von bis zu 1000 bar ausgesetzt ist: des Tiefseeschwammes Euplectella.

Sein Skelett besteht zu 95 Prozent aus Glas. Man kann ihn gegen eine Tischkante schlagen oder ihn mit einer Tonne Gewicht belasten - (fast) keine Belastung scheint ihm etwas auszumachen. So etwas weckt natürlich das Interesse der Materialforscher: Denn es gibt kaum einen technischen Verbundwerkstoff, der es in Sachen Bruchsicherheit mit dem Euplectella aufnehmen könnte. Am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI) der ÖAW in Leoben versucht Otmar Kolednik mit seinem Team, dem Tiefseeschwamm seine materialspezifischen Geheimnisse zu entlocken.

Proteine als Rissstopper

"Das Um und Auf der Bruchsicherheit des Euplectella ist seine Fähigkeit, die Ausbreitung von Rissen zu stoppen", sagt Kolednik. "Dafür sorgen dünne, weiche Proteinschichten, die wie ein Schutzschild zwischen den Glasschichten liegen und die Risse sozusagen abfangen."

Wer einmal versucht hat, ein Telefonbuch zu zerreißen, weiß, dass Papier, wenn man mehrere Seiten übereinanderlegt, sehr widerstandsfähig ist. Wenn man jedoch direkt zwischen den Seiten in das Telefonbuch eindringen will, gibt es keinerlei Widerstand. In gleicher Weise muss sich Euplectella davor schützen, dass ein Riss nicht in der weichen Proteinschicht wachsen kann. Der Euplectella macht das, indem er seine harten und weichen Schichten zylindrisch macht: "Damit hat kein Riss eine Chance mehr, egal wie er orientiert ist", so Kolednik.

Das Prinzip, durch Schichtung unterschiedlicher Materialien eine bessere Bruchsicherheit zu erreichen, ist empirisch schon lange bekannt und wird ansatzweise bereits heute genützt, um die Brucheigenschaften von bestimmten Bauteilen zu verbessern, zum Beispiel bei einer Verbundglasscheibe. Wie sich dieser Effekt jedoch für die Entwicklung neuer Verbundwerkstoffe, die ebenso oder zumindest annähernd so bruchsicher wie der Euplectella sind, umsetzen ließe, ist seit vielen Jahren Gegenstand intensiver Forschung.

"Bauanleitung" für bruchsichere Materialien

Auch am Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft der ÖAW haben die Forscher eigens Methoden entwickelt, um das Rissverhalten solcher Materialien wie jenes, aus denen das Euplectella-Skelett besteht, im Detail zu untersuchen. Mit ihrer Hilfe konnten die Forscher nun erstmals eine "Bauanleitung" für extrem bruchsicheres Material entwickeln. "Wir konnten eine Formel ableiten, die uns verrät, wie das Verhältnis zwischen den Eigenschaften der für die Schichtung verwendeten Materialien und ihrer Geometrie, das heißt die Dicke der harten Schicht, sein muss, um eine hohe Bruchsicherheit zu erreichen", erklärt Kolednik. Die weiche Schicht kann dabei sehr dünn sein, ohne viel von der Bruchsicherheit zu verlieren. Das ist für ein Skelett sehr wichtig, da es eine hohe Steifigkeit besitzen muss. Im nächsten Schritt wollen die Forscher diese Erkenntnis in die Praxis umsetzen. Im Rahmen seiner Dissertation untersucht Johannes Zechner verschiedene Materialkombinationen in variierenden Dicken. "Der Tiefseeschwamm arbeitet mit Glas und Protein als Klebstoff, wir testen zum Beispiel hochfeste Aluminiumlegierungen, die mit einem Polymerkleber verbunden werden", erläutert Zechner.

Die Forscher sind mit dem bisherigen Ergebnis mehr als zufrieden. Nun wollen sie Kompositstrukturen bestehend aus sehr harten und weichen Metallen testen, weil man diese auch bei höheren Temperaturen einsetzen könnte. In ihrer Arbeit betreten die Forscher laufend Neuland. "Für mich ist es das Spannendste, eine Sache vom Grund her verstehen zu lernen, die noch niemand weiß. Und da fangen wir erst an, gewisse Dinge richtig zu verstehen", betont Kolednik.


Videos:
Das Rissverhalten im Vergleich

• Aluminium ungeschichtet
• Aluminium geschichtet

Kontakt:
Prof. Dr. Otmar Kolednik
Erich-Schmid-Institut für Materialwissenschaft (ESI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Jahnstr. 12, 8700 Leoben
T +43 3842 804-114
otmar.kolednik@oeaw.ac.at
www.oeaw.ac.at/esi


Dezember 2011