Inspiriert von der Natur: Ultrastabiles Glas

Aus der Natur sind viele Stoffe bekannt, die scheinbar widersprüchliche Eigenschaften in sich vereinen. Muschelschalen etwa besitzen eine hohe Festigkeit, obwohl sie großteils aus sprödem mineralischem Material bestehen. Zahnschmelz, der ebenfalls einen hohen Anteil an Mineralien besitzt, ist sehr hart und gleichzeitig enorm belastbar. Im Vergleich dazu sind Keramiken und Gläser zwar hart, dafür jedoch spröde. Das Geheimnis der natürlichen Werkstoffe liegt in ihrer Mikrostruktur: Sie bestehen aus vielen, kleinen, miteinander verzweigten oder überkreuzten Schichten. Wenn durch äußeren Einfluss Risse entstehen, verteilt die innere Struktur des Materials die Kräfte auf einen größeren Bereich und erhöht so die Zähigkeit und Widerstandskraft um ein Vielfaches. Forschern aus Kanada ist es nun gelungen, dieses Bauprinzip auf Glas zu übertragen, wie sie im Fachblatt „Nature Communications“ berichten. Sie konnten die Zähigkeit von Borosilikatglas um den Faktor 200 steigern, indem sie mit Laserpulsen geschickt angeordnete Fehlstellen im Material erzeugten.

Muschelschale mit glänzendem Perlmuttschimmer vor türkisblauem Wasser, davon ausgehend wellenförmige Linien.
Muschelschale

„Einen Werkstoff zäher zu machen, indem man Schwachstellen einbaut, scheint zunächst widersprüchlich“, berichtet Francois Barthelat von der McGill University in Montreal. „Aber in natürlichen Materialien scheint dies eine universelle und mächtige Strategie zu sein.“ So haben Aufnahmen mit Elektronenmikroskopen an Zahnschmelz gezeigt, wie scheinbar glatte Zähne aus spaghettiförmigen Bändern von hochfesten Kristallfasern bestehen, die untereinander verästelt sind. Dies reduziert die Härte ein wenig, verringert aber die Sprödigkeit deutlich und macht Zähne dadurch sehr viel zäher.

Die Wissenschaftler übertrugen dieses Bauprinzip auf künstliches Material. Dazu beschossen sie Borosilikatgläser, wie sie in Laboren als Behälter gängig sind, mit einem starken Ultraviolettlaser. Dessen Licht kann durch das Glas dringen; nur genau im Brennpunkt ist es stark genug, um winzige Risse im Glas zu erzeugen. So konnten die Forscher unterschiedliche, millimetergroße Strukturen in das Glas einarbeiten. Am Ende stellten sich wellenförmige Verzahnungen als außerordentlich robust heraus, wie sie auch von Perlmutt bekannt sind. Diese Mikrostruktur erwies sich als sehr geeignet, um unter Druck die entstehenden Kräfte abzuleiten und Risse im Material zu blockieren. So ließen sich Spannungsspitzen vermeiden, die zu einem plötzlichen Bruch führen. Die Zähigkeit des Glases erhöhte sich dadurch um mehr als das Hundertfache, die Dehnbarkeit um mehr als das Zwanzigfache.

Drei Bilder untereinander zeigen zwei Glasstücke, die an einer waagerechten Schnittlinie zusammengesetzt sind. Weiter rechts geht diese Schnittlinie jeweils in eine wellenförmige Verzahnung über. Vom ersten bis zum dritten Bild werden die Glasstücke entlang ihrer teils geraden, teils wellenförmigen Schnittlinie immer weiter auseinandergezogen. Die Verzahnung blockiert die Ausbreitung des dabei entstehenden Risses.
Mikroverzahnung

Um die Festigkeit weiter zu steigern, testeten die Forscher auch verschiedene Klebstoffe, die sie in die Mikrostrukturen einsickern ließen. Als besonders wirksam erwies sich Polyurethan, das die Widerstandkraft nochmals um mehr als das Anderthalbfache erhöhen konnte. Andere Klebstoffe erwiesen sich jedoch als weniger geeignet: Wie die Forscher feststellten, müssen Glas und Kleber in ihren Eigenschaften gut zueinander passen. Polymethylsiloxan etwa erwies sich als zu schwach, um nennenswerten Einfluss auf die Festigkeit zu haben. Der Klebstoff Cyanoacrylat – von Kriminaltechnikern genutzt, um Fingerabdrücke sichtbar zu machen – war hingegen zu stark und zu spröde: Er führte dazu, dass die Risse sich nicht mehr entlang der eingravierten Muster ausbreiteten, wodurch das Ergebnis sich sogar verschlechterte. Für die Zukunft erwarten die Forscher, mit noch kleineren Strukturen die Festigkeit weiter erhöhen zu können. Auch hier bleibt die Natur das Vorbild.