Bruchfeste Keramik

Keramische Materialien sind zwar leicht und trotzdem hart, doch lassen sie sich bislang beispielsweise nicht in Flugzeugmotoren verbauen, weil sie darin wie simples Haushaltsgeschirr zerbrechen könnten. Materialwissenschaftler versuchen deshalb nun, natürliche Stoffe zu imitieren, die Stärke (gemessen in Deformationsresistenz) mit Härte (gemessen in Bruchresistenz) kombinieren. Als besonders interessant gilt dabei Perlmutt, ein Stoff, der die innerste Schalenschicht von Weichtieren bildet.

Forscher haben nun erstmals eine gut funktionierende Methode entwickelt, perlmuttartige Materialien im Labor herzustellen. Diese neuen Werkstoffe haben mechanische Eigenschaften, die denen von Metalllegierungen entsprechen und zu den härtesten keramischen Materialien gehören, die jemals hergestellt wurden.

Perlmutt kombiniert Platten starken aber spröden Kalziumkarbonats mit einem weichen Protein-Klebstoff in einer Stein-und-Mörtel-Struktur, die 3000 Mal härter als ihre Einzelbestandteile ist. Stellte man solche Mischungen bislang im Labor nach, ergaben sich Härten, die im Schnitt denen eines der Bestandteile entsprachen. "Wenn die Natur kombiniert, werden die Eigenschaften deutlich besser", sagt Robert Ritchie, Leiter des Instituts für Material- und Ingenieurswissenschaften an der University of California in Berkeley und Co-Autor der Studie. Der Grund: Das Perlmutt der Natur habe eine komplexe Struktur, die sich nur schwer nachbilden lasse. "Die Leute haben das probiert, konnten aber die Feinheit nicht nachahmen", so Ritchie.

Seit Jahren schon versuchen Wissenschaftler, neue Materialien basierend auf harten natürlichen Stoffen wie Perlmutt oder Knochen zu erstellen. Die Keramik aus Berkeley zeige nun, "dass die Inspiration aus der Natur zur Synthetisierung besserer Materialien wirklich sehr erfolgreich sein kann", meint Julia Greer, Materialwissenschaftlerin am California Institute of Technology (Caltech).

Um die Keramik in eine perlmuttartige Struktur zu bringen, erzeugten die Berkeley-Forscher zunächst eine Wasseraufschwemmung des Materials, das entsprechend überzogen werden sollte – in diesem Fall Aluminiumoxid. Sie kühlten es dann auf sehr kontrollierte Art und Weise. "Man nimmt die Hitze an einem Ende heraus", erklärt Ritchie. Das führte zu langen, dünnen Strukturen, die die Forscher dann in mikroskopische, steinartige Muster bringen konnten, nachdem sie durch das Verdampfen von Wasser erhitzt wurden. Wiederholt man den Prozess, ergibt dies eine geschichtete, poröse Struktur aus Aluminiumoxid-Steinen, die durch säulenartige Strukturen miteinander verbunden sind – die gleiche Form, die man in natürlichem Perlmutt finden kann. Dann werden, um den Protein-Klebstoff in der Weichtierschale zu imitieren, die Zwischenräume mit einem Polymer gefüllt. Details hat die Gruppe kürzlich in der Fachzeitschrift "Science" beschrieben. Andere Gruppen haben Dünnfilme aus Materialien hergestellt, die denen aus der Natur entsprachen; die Berkeley-Gruppe war erfolgreich in der Produktion großer Stücke.

Ohne Polsterung durch das Polymer wären die Steine genauso spröde wie die meisten Keramikmaterialien. Das Polymer erlaubt den steinartigen Schichten, übereinander zu gleiten, wenn mechanischer Zug auf sie ausgeübt wird – das führt dazu, dass das Material weniger schnell Risse bildet. Die Struktur wird so härter als jedes andere keramische Material, das jemals in einem Labor erzeugt wurde. "Hohe Härte und große Stärke sind normalerweise inkompatibel in einer Keramik", sagt Eric Stach, Materialwissenschaftler an der Purdue University, der die Studie kennt. Das Berkeley-Team konnte nun eine so hohe Stärke und Härte wie bei Aluminiumlegierungen zeigen. "Damit kann man Flugzeuge fliegen lassen", sagt Stach.

Obwohl die Forscher warnen, dass ihre Perlmutt-Keramik noch am Anfang der Entwicklung steht, sehen sie doch bereits Anwendungen, die bislang stets unmöglich geblieben waren. "Man könnte solche Werkstoffe nutzen, um daraus das Chassis eines Autos zu bilden – statt Stahl. Das würde Treibstoff sparen", sagt Ritchie. Antoni Tomsia, Materialwissenschaftler am Lawrence Berkeley Laboratory, der die Studie mit Ritchie zusammen leitete, meint, dass harte Keramik mit guter Isolierung auch im Hausbau interessant sein könnte – als Dämm- und Strukturelement in einem. Selbst der Einsatz in leichten kugelsicheren Westen ist denkbar – oder als Panzerung.

Die Arbeit zeige den Weg, den von der Natur inspirierte Materialien in der Materialwissenschaft nehmen könnten, meinen Beobachter. Paul Hansma, Professor für Physik an der University of California in Santa Barbara, hält die Studie für "erstaunlich". Die Leistungsfähigkeit des Werkstoffes setze die Messlatte "in diesem wichtigen Feld nach oben".

Ritchie und Tomsia glauben, dass sie das Material sogar noch besser machen können. Natürlicher Perlmutt hat eine Keramik-Struktur, die eine Zehnerpotenz kleiner ist als bei dem Berkeley-Wirkstoff. Außerdem ist das Verhältnis Stein zu Mörtel höher. Ritchie sagt, dass seine Gruppe deshalb daran arbeite, die Keramiksteine zu verkleinern und sie näher zueinander zu platzieren. Gleichzeitig ließe sich so der Polymer-Inhalt verringern. Sie experimentieren außerdem mit verschiedenen Mörtelarten. Durch die Verwendung des Polymerklebstoffs eigne sich das Material derzeit nicht für Hochtemperaturanwendungen wie in Motoren. Deshalb wollen die Berkeley-Forscher nun Metallfüllstoffe testen, die das problemlos könnten. (bsc)