Kraft aus der Muschel

Kirsten Niemann
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Vorbild Natur: Wissenschaftler stellen ein Perlmutt-Imitat her. Das Material ist gasundurchlässig, robust und flexibel: eine ideale Beschichtung für Pipelines und Erdgastanks.

Vorbild Natur

Im Labor

Fotos: Rüdiger Nehmzow

VORBILD NATUR: Perlmutt ist ein hervorragender Werkstoff. Es besteht zu mindestens 97 Prozent aus Kalk, hat aber eine 3.000-mal höhere Bruchfestigkeit – weil das Material in Schichten aufgebaut ist. Könnte man das Bauprinzip des Perlmutts kopieren, käme es einer Revolution in der Materialindustrie gleich.

Der Aachener Wissenschaftler Andreas Walther hat sie aus dem Kalifornien-Urlaub mitgebracht. Und wenn er anschaulich zeigen will, woran er arbeitet, reicht er seine Abalone herum – eine Meeresschnecke, die Wissenschaftler unter dem Namen Haliotis laevigata kennen. Ihre Außenschicht ist porös, rau und kalkweiß. Um das Perlmutt zu sehen, muss man die Muschel öffnen: Die geschmeidig-glatte Innenseite schillert in vielen Farben. Perlmutt – dieser Rohstoff ist nicht nur hübsch anzusehen, er hat auch viele positive Eigenschaften, die künstlich hergestellte Materialien nur selten aufweisen.

VORBILD NATUR

Perlmutt im Hitzetest

 

Perlmutt ist steif und ungemein haltbar zugleich, was es seinem einzigartigen Aufbau aus festen und weichen Bausteinen verdankt. So wird seine Struktur mit einer mikroskopisch winzigen Ziegelmauer verglichen: Plättchen aus Kalziumkarbonat, die Ziegel, wechseln sich ab mit einer weichen Biopolymermasse, dem Mörtel. Die harten Plättchen tragen die Last, die weichen Polymere federn wiederum die von außen wirkende Energie ab. „Die elastischen Polymerschichten wirken dabei wie gummiartiger Kitt zwischen zwei Mineralschichten und fangen Risse ab“, erläutert Andreas Walther. Dieser Stoff ist nicht nur sehr stabil, sondern auch sehr leicht und nicht entflammbar. Könnte man ein Perlmutt-inspiriertes Material herstellen, ließe es sich in vielen Bereichen verwenden. „Neben dem Einsatz als Leichtbaumaterial könnte ein sogenanntes Nanokomposit zum Beispiel auch zum Schutz oxidationsempfindlicher Elektronik in flexiblen Displays dienen“, sagt der 35-Jährige. „Ein Perlmutt-Imitat wäre also eine kostengünstige und ökologisch attraktive Barriereschicht.“

„Eine neuartige Perlmutt-Beschichtung könnte Power-to-Gas-Verfahren voranbringen“

Florian Hatesuer, Referent in der Abteilung Gas Storage Projects bei astora

Aber lässt sich so eine Struktur überhaupt nachbauen? Auf diese Frage suchen Forscher am Aachener DWI Leibniz-Institut eine Antwort. Schon seit mehr als zehn Jahren gibt es international Ansätze, organische und anorganische Schichten übereinanderzulegen. „Das funktioniert gut, dauert aber ewig, bis man zu einem ähnlichen Resultat kommt“, weiß der Chemiker. Auch das Meerestier braucht für den Aufbau einer Perlmutt-Schicht von nicht einmal einem Millimeter mehrere Jahre. Walthers Team hat nun einen von der Muschel inspirierten Nano-Verbundstoff entwickelt, der sich von selbst aufbaut und innerhalb von 24 Stunden fertig ist: Zu Beginn versehen die Forscher hauchdünne Schichtsilikate mit einer Hülle aus Polyvinylalkohol – was dem Mörtel mit dem Ziegelstein entspricht – und lassen die Bausteine anschließend selbstständig aggregieren, indem sie ihnen Wasser entziehen.

Ideale Schicht für Pipelines

Wegen seiner Gasundurchlässigkeit ließe sich das Nanokomposit auch gut als Verpackungs- und Isoliermaterial verwenden: „Das Gas müsste um die Plättchen wandern. Je dünner die sind und je größer deren Durchmesser ist, desto besser ist die Barrierewirkung“, so der Chemiker. Aus demselben Grund wären Perlmutt-Mimetika – also Materialien, die Perlmutt nachahmen – ideal für den Transport oder die Lagerung von Erdgas, etwa, wenn sich Rohrleitungen oder Flüssiggastanks damit beschichten ließen.

FORSCHUNGSERFOLG: Doktorand Alejandro Benitez ist Teil des Teams beim Aachener DWI Leibniz-Institut für Internaktive Materialen

FORSCHUNGSERFOLG: Doktorand Alejandro Benitez ist Teil des Teams beim Aachener DWI Leibniz-Institut für Interaktive Materialen

 

„Ich denke, dass eine neuartige Perlmutt-Beschichtung gerade für das Power-to-Gas-Verfahren interessant sein könnte“, sagt Florian Hatesuer, Referent in der Abteilung Gas Storage Projects bei astora. Derzeit laufen erste Pilotprojekte, bei denen Wasserstoff in die Erdgasinfrastruktur eingespeist wird. Der kann jedoch in die Metallgitter der Werkstoffe eindringen und hier zur Versprödung führen. „Wenn eine Perlmutt-Beschichtung die Diffusion von Wasserstoff verringern kann, dann könnte dies das Power-to-Gas-Verfahren weiter voranbringen“, so Experte Hatesuer.
Tatsächlich verschließt das künstliche Perlmutt noch effektiver als das Vorbild aus der Natur, wie die Forscher erst im Labor festgestellt haben: „Wir nutzen wesentlich dünnere Plättchen als die Muschel“, erklärt Chemiker Andreas Walter.
„Wenn Perlmutt-Mimetika hier Vorteile gegenüber dem Stand der Technik hätten, sollte das die Entwicklung vorantreiben“, sagt Hatesuer.

Industrieproduktion in zehn Jahren

Die Bionik – eine Kombination aus „Biologie“ und „Technik“ – nimmt Phänomene der Natur ins Visier und überträgt sie auf die Technik. Dr. Rainer Erb, Geschäftsführer der BIOKON – Forschungsgemeinschaft Bionik-Kompetenznetz e.V. in Berlin, gerät geradezu ins Schwärmen über die Entwicklung in Aachen. „Ein Verbundstoff nach dem Vorbild von Perlmutt, der extrem belastbar ist, leicht und sich selbst organisiert – das ist super.“

 

 

 

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