Vorbild Seeigelstachel

  • 12. December 2017

Bruchfesterer Zement durch Nachahmung der Nano­struktur.

Der Stachel des Seeigels besteht zum größten Teil aus Kalk, einem sehr spröden und damit brüchigen Material. Doch der See­igel­stachel ist sehr viel bruch­fester als Kalk. Der Grund dafür liegt in seiner „Back­stein­mauer-Archi­tektur“, mit der die Natur Materi­alien opti­miert. Forschern der Uni Konstanz ist es gelungen, dieses „Ziegel­stein-Mörtel-Prinzip“ für das Bau­material Zement im Nano­maß­stab nach­zu­bauen. Im Zuge dessen konnten Makro­mole­küle identi­fi­ziert werden, die die Funktion des Mörtels über­nehmen und die kristal­linen Bau­steine im Nano­maß­stab ver­kleben, wobei diese sich von selbst geordnet aus­richten. Ziel ist, Zement und damit vor allem Beton bruch­fester zu machen.

Biege-Experiment

Abb.: Biege-Experiment von elastischem Zement im Raster­elek­tronen­mikro­skop bei zwei­tausend­facher Ver­größe­rung. Der mit einem Ionen­strahl präzise aus einem Partikel heraus­geschnit­tene Balken aus nano­struk­tu­riertem Zement biegt sich unter dem Druck eines Mikro­mani­pu­lators (links im Bild), ohne zu brechen. (Bild: Z. Burk­hard, U. Konstanz)

„Unser Zement, der deutlich bruchfester ist als alles, was in diesem Bereich bis­lang bekannt ist, eröffnet ganz neue Möglich­keiten zu bauen“, so Team­leiter Helmut Cölfen. Würde man mit diesem Zement eine Säule errichten, so könnte diese acht­tausend Meter hoch sein, zehn­mal höher als das bisher höchste Gebäude der Welt, bevor das Material am unteren Ende der Säule durch den Druck zer­stört würde. Mit normalem Stahl würde man gerade einmal drei­tausend Meter erreichen.

Die „Backsteinmauer-Architektur“ im Nanobereich ist vergleich­bar mit der Tätig­keit eines Maurers: Er setzt Stein auf Stein, wobei er die ein­zelnen Stein­schichten mit Mörtel verklebt. Dahinter steckt das Prinzip hart - weich - hart - weich. Die Natur nutzt dieses Prinzip, um den See­igel­stachel wider­stands­fähig zu machen. Wenn Kräfte auf den brüchigen Kalk ein­wirken, spaltet sich zwar der kristal­line Bau­stein, die Energie trifft darauf­hin aber auf eine weiche unge­ord­nete Schicht. Da diese keine Spalt­ebene hat, wird so der Riss auf­ge­halten. Ein dünner Schnitt durch einen See­igel­stachel belegt das Struktur­prinzip: Kristal­line Bau­steine in geord­neter Struktur sind von einem weicheren amorphen Bereich umgeben. Im Fall des See­igel­stachels handelt es sich um Kalzium­karbonat.

Zement besitzt an sich eine ungeordnete Struktur, alles klebt mit allem zusammen. Das bedeutet: Um die schicht­weise geord­nete und deut­lich mehr Stabi­lität ver­sprechende Ziegel­stein-Mörtel-Bau­weise zu erreichen, muss die Struktur des Zements auf der Nano­ebene aus­ge­richtet werden. „Auf der Nano­ebene schon die Bruch­festig­keit kodieren“, beschreibt Cölfen den Vor­gang. Das bedeutet hier wiederum: Etwas zu identi­fi­zieren, das auf den Zement-Nano­parti­keln und auf nichts anderem im Zement haftet. Identi­fi­ziert werden konnten zirka zehn negativ geladene Eiweiß­kombi­nationen, die sehr gut kleben.

In Zusammenarbeit mit dem MPI für Festkörperforschung gelang es mit Hilfe eines Ionen­strahls unter einem Elek­tronen­mikro­skop, eine Mikro­struktur aus­zu­schneiden, einen Balken aus dem nano­struktu­rierten Zement von drei Mikro­metern. Mit­hilfe eines Mikro­mani­pu­lators wurde der Balken nach unten gedrückt. Wurde er wieder los­ge­lassen, schwang er in seine Aus­gangs­position zurück. Aus der Aus­lenkung der elas­tischen Ver­for­mung des Balkens konnten mecha­nische Werte errechnet werden. Danach kommt der opti­mierte Zement auf einen Wert von 200 Mega­pascal. Zum Ver­gleich: Die Muschel­schale, der Gold­standard der Bruch­festig­keit, hat den Wert von 210 Mega­pascal, somit nur gering­fügig mehr. Gängiger Beton hat heute den Wert von 2 bis 5 Mega­pascal. „Wir haben viel bessere Baum­ateri­alien als Kalk“, so Cölfen. „Wenn es uns gelingt, Materi­alien gezielt zu struktu­rieren und solche Bau­pläne nach­zu­bauen, erhalten wir noch viel bruch­festere Materi­alien – Hoch­leistungs­materi­alien, die bio­inspi­riert sind.“

U. Konstanz / RK

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