Euplectella, der praktisch unzerbrechliche Glasschwamm

18. Juli 2005, 12:56
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Wissen um optimale Verknüpfung der tierischen Skelett-Fasern soll neue Baupläne für feste Konstruktionen ermöglichen

Potsdam/München - Ein Wissenschaftsteam des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam hat gemeinsam mit Forschern des US-amerikanischen Bell Labs und der Universität Kalifornien herausgefunden, warum das gläserne Skelett des Glasschwammes Euplectella praktisch unzerbrechlich ist. Das Wissen soll neue Baupläne für feste Konstruktionen ermöglichen, berichten die Forscher in der jüngsten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins "Science".

Der Grund, warum diese Konstruktion aus Bio-Glasfasern praktisch unzerbrechlich ist, liegt darin, dass die Fasern über viele Größenordnungen und insgesamt sieben hierarchische Ebenen optimal miteinander verknüpft sind. Dabei ist das Material, das Euplectella in Meerestiefen von 40 bis zu 5.000 Metern zur Verfügung hat, eher dürftig. Daher ist es besonders erstaunlich, welch außergewöhnliche Materialien die Natur aus einfachsten Rohstoffen herstellen kann. Der Schwamm ähnelt einem weißen Kolben voll feiner Löcher. Durch diese können Larven einer bestimmten Krebsart in sein Inneres gelangen. Meist siedeln sich dort Pärchen an, die dann rasch zu groß werden für die Öffnungen ihrer Behausung. Das Paar verbringt deshalb sein ganzes Leben in dem Schwamm.

Bruchfester Käfig

Der Schwamm gab den Forschern einige interessante Fragestellungen auf:. Eine davon war jene, wie er den beträchtlichen mechanischen Beanspruchungen in der Tiefsee widerstehen kann. Eine andere war, wie sich aus Glasfasern ein bruchfester Käfig bauen lässt. Eine erste Antwort fand sich im Inneren der Fasern, die aus konzentrisch angeordneten Glasschichten mit wenigen Mikrometern Dicke aufgebaut sind. Die Glaslamellen sind untereinander durch eine hauchdünne Klebeschicht aus organischer Matrix verbunden. Das Glas selbst entsteht offenbar durch das Aneinanderfügen von Silikat-Nanopartikeln, wie sich durch Ätzungen zeigen ließ. Nanopartikel, Lamellen und Fasern bilden weitere hierarchische Ebenen.

Der Faseraufbau in Form eines Mikrolaminats ist ganz wesentlich für die Verringerung der Sprödigkeit des Glases. Risse und Kratzer führen daher nicht so leicht zum Bruch wie bei massivem Glas, denn Risse werden an den organischen Zwischenschichten abgelenkt und so am Ausbreiten gehindert. Ein Bündel aus einer Vielzahl von Fasern unterschiedlicher Dicke ist mit Glaszement zu starken Konstruktionsstäben, die vertikal, horizontal und diagonal angeordnet und zu einem lockeren Netz verwoben sind, verbunden. Die Konzeption ähnelt einer Fachwerkkonstruktion. Die genaue Analyse hat deutlich gemacht, dass die diagonalen Verstrebungen gerade ausreichen, um das Fachwerk gegen Scherung zu versteifen. Die gesamte Struktur ist zusätzlich durch spiralförmige Rippen verstärkt. Damit ist der Schwamm ein Lehrbuchbeispiel, wie sich mit spröden Materialien wie Glas bruchfeste Strukturen erzeugen lassen.

Komplexität mit einfachen Mitteln

Wirklich erstaunlich ist jedoch der Umstand, dass es dem Schwamm gelingt, eine ganze Reihe von mechanischen Konstruktionsprinzipien auf vielen Größenskalen vom Nanometer bis zum Zentimeter zu kombinieren und gleichzeitig einzusetzen. Ähnliches ist aus dem Bereich der Technik noch nicht bekannt und bedeutet einen neuen Impuls für die biomimetische Materialforschung, berichten die Wissenschaftler. Unbekannt ist weiterhin jedoch, wie ein so vergleichsweise einfacher Organismus ein derart komplexes und über viele hierarchische Stufen optimiertes Gebilde überhaupt hervorbringen kann. (pte)

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