Schwammskelett als Vorbild für hochfeste und flexible Fasermaterialien

Damit Meeresschwämme nicht schlaff in sich zusammensinken, enthält ihr Körper harte Skelettnadeln als Stützelemente. Bei manchen Arten dienen diese sogenannten Spicula obendrein dazu, als Stacheln mögliche Fressfeinde abzuwehren. Jetzt hat ihre Kombination aus Härte und Flexibilität ein  Forscherteam zum Nachbau inspiriert. Wie in der Natur ließen die Wissenschaftler Proteine für sich arbeiten, um harte Nanokristalle gezielt zu den nur Millimeter langen, harten Stäbchen anzuordnen. Weil die Proteine zahlreich eingebettet bleiben, entstehen biegsame Nadeln oder Fasern, die aus dem Labor sogar noch dreimal robuster sind als aus dem Meer, schreibt das Team im Fachblatt „Science“. Obendrein streuen die transparenten Stäbchen Röntgenlicht und leiten – sogar im gebogenen Zustand – sichtbares Licht, sodass sie sich auch zum Einsatz in der modernen Wellenoptik eignen. Und die Materialforschung verfügt nun über eine neue Methode, harte und brüchige Nanokeramik mit weichen Biopolymeren zu leichtgewichtigen und bruchfesteren Werkstoffen zu kombinieren.

Skelettnadel im gebogenen Zustand mit einem dichten Besatz kleiner kantiger Kristalle
Illustration einer synthethischen Skelettnadel

„Die sich selbst anordnenden Spicula von 10 bis 300 Mikrometern Länge und fünf bis zehn Mikrometern Durchmesser bestehen aus ausgerichteten Kalzit-Nanokristallen“, schreiben die Chemiker um Filipe Natalio von der Universität Halle-Wittenberg und Wolfgang Tremel von der Universität Mainz. „Ursprünglich sind sie unkristallisiert, aber innerhalb von Monaten wandeln sie sich zu Kalzit.“ Gemeinsam mit Kollegen hatten Natalio und Tremel die Skelettnadeln in Kalkschwämmen näher untersucht. Wie bei Knochen, Muschelschalen oder Zähnen entstehen sie durch Biomineralisierung: Organische Moleküle wie Proteine fügen anorganische, eigentlich spröde Rohstoffe wie Silikate oder Karbonate zusammen, damit diese eine harte Oberfläche bilden. Diese ist relativ bruchstabil, weil Risse im kleinteiligen, unperfekten Zusammenbau schnell ins Leere laufen. Bei den sogenannten Kieselschwämmen binden Proteine gelöstes Silikat und ordnen sich in mehreren Schichten selbstständig um eine zentrale Achse an. So formen sie Stäbchen aus Silikatschichten, die allerdings nicht kristallisieren. In Kalkschwämmen hingegen entstehen durch Kristallisierung von Karbonat starre, unterschiedlich geformte Kalziteinkristalle, allerdings offenbar auch mit einigen integrierten Proteinresten.

Das Forscherteam kombinierte nun beide Varianten – das Anordnen zu Stäbchen und das Kristallisieren – und erreichte noch robustere Mineralnadeln. In passender Laborumgebung arrangierten sich die Makromoleküle innerhalb einer Stunde tatsächlich zu den erwarteten gleichförmigen runden Stäbchen – äußerlich kaum von natürlichen Silikatnadeln zu unterscheiden, wie Bilder eines Rasterelektronenmikroskops bestätigten. Der Kalzit an ihrer Oberfläche war allerdings noch amorph, erst nach einer Reifezeit von rund sechs Monaten waren benachbarte Partikel schließlich zu starren Kalzitnanokristallen verbunden.

In der linken Bildhälfte ist ein glatter dunkler Stab von etwa 150 Mikrometer Länge zu sehen, rechts ein ähnlich langer hellerer Stab, etwas unregelmäßiger, der einem dünnen Birkenstamm gleicht.
Vergleich einer natürlichen und einer synthetischen Skelettnadel

Eine eigens entwickelte Messmethode zeigte, dass die synthetischen Nadeln 10 bis 16 Prozent organische Moleküle enthalten, ähnlich einem Gummistab, der von hartem Kristallmosaik bedeckt und durchsetzt ist. Deshalb ist die künstliche Variante der Schwammnadeln dreimal biegsamer und bruchfester als ihr Vorbild, schreiben Natalio und Kollegen: „Die organischen Makromoleküle spielen eine Schlüsselrolle: Sie stabilisieren die Übergangsphase, beeinflussen die Form und überwinden die ursprüngliche Brüchigkeit der kristallinen Phase.“ Gerade die Biegsamkeit macht die neuen Nadeln neben anderen Einsatzfeldern nun auch als Lichtleiter für die Faseroptik interessant. Allerdings müssen sie dazu noch von kurzen Stäbchen zu langen Fasern weiterentwickelt werden.