Extrem feste, flexible Keramik aus dem Gefrierfach

Sehr harte Keramik, die auch bei Druck nicht zerbröselt - danach suchen viele Materialforscher. Einem US-Team ist die Herstellung jetzt auf einfachem Wege gelungen, nachdem es sich das Prinzip bei Muscheln und Meerwasser abgeschaut hat.

Berkeley (USA) - Die Forscher kopieren die Art, in der das Salzwasser gefriert, so dass sich eingemischtes Keramikpulver ablagert. Die Strukturen ähneln denen von Muschelschalen und ergeben nach Auffüllen ihrer Hohlräume mit Kunststoff oder Metall eine starke, harte und doch Stöße abfangende Keramik. Im Fachblatt "Science" berichten die Forscher,dass sich der Werkstoff für künstliche Knochen und Zahnersatz ebenso wie für Wärmetauscher in der Elektronik oder leichte Karosserieteile oder Panzerung eignet

"Für den biomedizinischen Bereich haben wir erstmals ausreichend starke Keramik-Gerüste herstellen können, die Lasten tragen müssen -- zum Beispiel Prothesen und Zahnimplantate", erklärt Antoni Tomsia, Materialforscher am US-staatlichen Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL). Seine Gruppe arbeitete mit Hydroxyapatit, einer Kalziumphosphatverbindung, die einen großen Bestandteil von Knochen und Zähnen ausmacht. In normalen Herstellungsverfahren bildet es wie andere Keramiken harte, feste Bauteile, die jedoch sehr brüchig sind. Tomsia und Kollegen hingegen mischten das Hydroxyapatit in Wasser und senkten zunächst die Temperaturen. So ahmten sie Meerwasser nach, das beim Gefrieren das enthaltene Salz und Mikroorganismen in Kanäle zwischen den sich bildenden Eiskristallen lagert.

Die Forscher wollten auf diese Weise den schichtweisen Aufbau von Muschelschalen kopieren, der sich im Farbenspiel des Perlmutts zeigt: Viele dünne Schichten unterschiedlicher Größenordnung sind so zusammengefügt, dass sie die Energie von Druck und Schlag flexibel ableiten können. Auf herkömmliche Weise ließ sich die Struktur bisher nicht nachbauen. Beim Gefrieren des Wassers, in das das Hydroxyapatit-Pulver gemischt war, fingen sich die Keramikpartikel jedoch wie gewünscht zwischen den wachsenden Eiskristallen und bildeten die Grundstruktur des neuen Materials. Im zweiten Schritt verdampften die Forscher dann das Eis bzw. Wasser und erhielten ein poröses Material mit der Struktur der Eiskristall-Schichten. Die Lücken füllten sie schließlich mit Metall oder organischem Polymer auf.

Ergebnis: eine dichtes, hartes und starkes Kompositmaterial, für das sich die Dicke und Zahl der Schichten gezielt steuern lässt. Nun wollen die Forscher ihre Methode optimieren und für den industriellen Herstellungsprozess anpassen.