DWI: Transparentes künstliches Perlmutt mit Ziegelmauer im Nanometer-Maßstab

Mit den Tricks der Natur entwickelt das DWI neue Werkstoffe, die den Vergleich zu natürlichen Materialien nicht scheuen müssen. Gezeigt ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines transparenten Perlmutt-Imitats - (Bild: P. Das / DWI).

Wissenschaftler vom DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien stellen neue Perlmutt-inspirierte Nano-Verbundwerkstoffe her.

Natürliche Materialien bestechen durch ihre brillanten mechanischen Eigenschaften, die auf einer raffinierten Anordnung und Kombination verschiedener Bausteine beruhen. Ein Schwerpunkt der aktuellen Materialforschung liegt daher auf der Entwicklung bioinspirierter Werkstoffe, deren Beschaffenheit mit der Qualität biologischer Materialien gleichziehen kann oder diese für Funktionsanwendungen gar übertrifft. Die Forschungsgruppe um Dr. Andreas Walther am DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien in Aachen entwickelte jetzt einen Perlmutt-inspirierten Nano-Verbundwerkstoff, der bemerkenswerte mechanische Charakteristika mit Glas-ähnlicher Transparenz sowie einer hohen Gas- und Feuerbarriere kombiniert (Nature Communications, 2015).

Die Struktur von Perlmutt ähnelt einer Ziegelmauer, wenn auch im mikroskopischem Maßstab: Kalziumcarbonat-Plättchen (die ‚Ziegelsteine‘) wechseln sich mit einer weichen Biopolymermasse (dem ‚Mörtel‘) ab. Während die harten Plättchen die eigentliche Last tragen und die Struktur festigen, leiten die weichen Polymerbestandteile von außen einwirkende Energie ab, was insgesamt zu einer hohen Stabilität bei verhältnismäßig geringem Gewicht führt. Perlmutt wird als Goldstandard natürlicher Materialien bezeichnet, da es extrem steif und gleichzeitig bruchzäh ist, eine Merkmalskombination, die in synthetischen Materialien nur schwer zu realisieren ist. Problematisch für Wissenschaftler war bisher der hohe Aufwand beim Nachbau derartiger Strukturen. Darüber hinaus soll es bislang keiner Forschungsgruppe gelungen sein, transparente Perlmutt-mimetische Filme und Folien herzustellen.

Andreas Walther und sein Team setzen hierzu auf synthetische Schichtsilikat-Plättchen als Grundbaustein für das Perlmutt-Imitat. Dies verbessert insbesondere die Transparenz des Materials. Auch am Herstellungsprozess feilten die Aachener: „Bei Muscheln kann sich das Perlmutt in einem langsamen Wachstumsprozess bilden, für unser neues Hybridmaterial nutzen wir dagegen einen einfachen und schnellen Selbstanordnungseffekt“, so der 34-jährige Chemiker. Im ersten Arbeitsschritt versehen die Wissenschaftler die hauchdünnen Schichtsilikate mit einer Hülle aus Polyvinylalkohol (‚Mörtel auf dem Ziegelstein’) und lassen diese Kern/Schale-Bausteine anschließend durch Wasserentzug selbstständig aggregieren. Nach weniger als 24 Stunden ist der Nano-Verbundwerkstoff fertig.

Um mehr darüber zu erfahren, wie die Beschaffenheit der Einzelkomponenten die Merkmale des resultierenden Materials beeinflusst, verglichen die Wissenschaftler Schichtsilikate mit ganz verschiedenen Größen. „Sind die Schichtsilikate besonders klein, erhält man ein extrem bruchzähes Material. Bei großen Schichtsilikaten, ihre Länge entspricht hier einem 3500-fachen der Dicke, entsteht dagegen ein sehr steifes und festes Material, welches in seiner Beschaffenheit an aufwendig herzustellende Faserverbundwerkstoffe heranreichen kann“, erklärt DWI-Doktorandin Paramita Das. Besonders interessant sind zudem die Glas-ähnliche Transparenz und die extrem niedrige Gasdurchlässigkeit des Nanokomposits.

Durch diese Kombination von Eigenschaften kann das Perlmutt-Imitat aus Aachen neben dem Einsatz als strukturelles Material auch zukünftige Anwendung bei der Lagerung von Gas und in der Verpackung von Lebensmitteln finden. Darüber hinaus könnte es insbesondere als Substrat und zur Verkapselung oxidationsempfindlicher organischer Elektronik in flexiblen Displays dienen.

Weitere Informationen: www.dwi.rwth-aachen.de

DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V., Aachen

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