Perfekte Struktur von Perlmutt

Wie Fehler Schönheit kreieren

Von Uta Bilow
23.01.2021
, 09:00
Perlmutt verdankt seine Festigkeit und seinen Glanz einem regelmäßigen und einheitlichen Aufbau. Doch wie entsteht diese perfekte Ordnung? Forscher aus Dresden sind dieser Frage nachgegangen.

Perlmutt ist ein einzigartiges biogenes Material. Weichtiere wie Schnecken und Muscheln bilden es, um sich einen Panzer gegen Fraßfeinde zuzulegen. Wegen seines irisierenden Glanzes wird es gerne für Schmuck und Kunstgegenstände verwendet. Aber Perlmutt beeindruckt auch durch seine Festigkeit. Das Material hält großen mechanischen Spannungen stand, ohne zu brechen. Diese Eigenschaft resultiert aus dem charakteristischen Aufbau des Materials: In ein organisches Gerüst, das auf Chitin basiert, sind winzige, übereinander gestapelte Plättchen aus Kalziumkarbonat eingelagert. Der Verbundwerkstoff ist auf diese Weise wie eine Ziegelsteinmauer aufgebaut.

Dieses hohe Maß an Ordnung verblüfft, wenn man sich vor Augen führt, dass eine Vielzahl einzelner Zellen – jede für sich – an verschiedenen Stellen des Organismus Material absondert. Wie entsteht die perfekte Struktur des Perlmutts? Gibt es einen Dirigenten im Orchester der Zellen? Diesen Fragen ist nun eine Gruppe von Wissenschaftlern um Igor Zlotnikov von der TU Dresden nachgegangen.

Der Aufbau des Perlmutts beginnt ungeordnet. Viele einzelne Zellen des sogenannten Mantelgewebes der Weichtiere produzieren winzige Karbonat-Plättchen und lagern sie mit dem Chitin-Gerüst in Schichten ab. Da dies auf einer unebenen organischen Oberfläche geschieht, treten Defekte auf. Diese zeigen sich als Stufen.

Defekte, die sich anziehen

Jede Stufe entspringt an einer schraubenförmigen Versetzung und endet an einer solchen. Diese Störungen haben entgegengesetzte Topologien, es gibt also rechts- und linkshändige Defekte. Wie die Forscher um Zlotnikov in der Zeitschrift „Nature Physics“ berichten, zieht sich jeder Defekt durch mehrere Schichten des Verbundmaterials hindurch, so dass eine Art Helix resultiert. Während die Perlmuttschicht dicker wird, nähern sich spiegelbildliche Defekte paarweise einander an. Diese heben sich schließlich gegenseitig auf. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige Struktur im Perlmutt.

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher die energiereichen, auf Nanometergröße fokussierten Strahlen der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble genutzt. Mit dem Verfahren der holografischen Röntgen-Nanotomographie erhielten sie dreidimensionale Abbildungen von Schalenbruchstücken der Malermuschel (Unio Pictorum). Bei der Auswertung der Rohdaten nutzten die Forscher Methoden des Maschinellen Lernens zur Mustererkennung. Auf diese Weise konnten sie das Wachstum des Perlmutts modellieren. Mit zunehmender Schichtdicke sank die Zahl der Störungen sehr rasch. Der Verlauf der Abnahme folgt einem exponentiellen Zerfallsgesetz.

Synchronisierte Wachstumsprozesse

Die Forscher haben herausgefunden, dass sich die schraubenförmigen Defekte über eine Distanz von bis zu 50 Mikrometer hinweg gewissermaßen anziehen. Sie erzeugen interne Verzerrungen und damit Spannungsfelder im Material. Dieses Phänomen kennt man von Flüssigkristallsystemen oder kristallinen Werkstoffen. Aufgrund dieser Spannungsfelder existieren Kräfte zwischen den Defekten, die, wenn der Drehsinn der Helices entgegengesetzt ist, anziehend wirken.

Die beobachteten Prozesse passen auch zu dem sogenannten Kuramoto-Modell, mit dem Wissenschaftler Synchronisationsphänomene vorhersagen können. In Natur und Technik, aber auch in Sozialsystemen kennt man Vorgänge, bei denen sich Abläufe synchronisieren. Beispiele sind im Gleichtakt blinkende Glühwürmchen, Touristenattraktionen oder Menschen, die in einer Gruppe Beifall klatschen und dabei immer rhythmischer und synchroner werden. Demnach kann man Perlmutt als periodische Struktur von Oszillatoren in unterschiedlicher Phase beschreiben, die sich synchronisieren.

Perlmutt ist nur ein Beispiel eines hochgeordneten stabilen Verbundstoffs. Ähnliche Strukturen findet man bei Kollagen-basierten Materialien in Knochen und Zähnen oder bei Exoskeletten von Insekten, die Chitin enthalten. Die Dresdner Forscher wollen nun untersuchen, ob ähnliche Wachstumsphänomene auch dort auftreten.

Quelle: F.A.Z.
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