Natürliche Mesokristalle machen Seeigelstacheln bruchfest

Konstanz/Potsdam/Berlin – Seeigelstacheln sind sehr robust gegen Stöße, obwohl sie aus eher brüchigem Kalk bestehen. Forscher entdeckten nun das Geheimnis ihrer Stabilität: Die Stacheln bestehen aus sogenannten Mesokristallen, eine Kristallform, die aus der Natur bisher nicht bekannt war. Könnte man diese Bauform kopieren, ließen sich damit leistungsfähige Werkstoffe aus natürlichen Mineralien herstellen.

Mikroskopaufnahme eines abgebrochenen Seeigelstachels, in dem zylinderförmigen Stumpf ist eine feine, vielschichtige Struktur zu erkennen.
Struktur eines Seeigelstachels

Eine internationale Forschergruppe, bei der unter anderem Wissenschaftler der Universitäten Konstanz und Potsdam, der Bundesanstalt für Materialforschung Berlin und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung Potsdam beteiligt waren, unterzog die Stacheln mehreren Röntgenanalyseverfahren. Einige davon fanden an der Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble statt. Dabei zeigte sich, dass die Stacheln aus Kalzit – also kristallinem Kalk – bestehen. Doch anders als ein Einkristall, der ein sehr regelmäßiges Kristallgitter aufweist und an seinen Spaltebenen leicht zerbricht, zeigten sich bei den Seeigelstacheln raue Bruchflächen, ähnlich wie sie bei Glas oder Keramik vorkommen. 

Bei Untersuchungen auf der Nanometerskala stießen die Forscher dann auf eine ungewöhnliche Struktur. Die einzelnen Kalzitkristalle in den Stacheln sind parallel angeordnet und werden durch Zwischenschichten aus untergeordnetem Kalk zusammengehalten. Diese Schichten sind zwar nur ein bis zwei Nanometer dick, doch sie können Stöße und Erschütterungen abfedern und machen die Struktur insgesamt stabiler. Bislang glaubte man, dass solche Mesokristalle – welche die Eigenschaften eines Einkristalls mit denen eines Nanopartikels vereinen – nur synthetisch hergestellt werden können.

„Faszinierend ist, dass die Natur selbst aus solchen eigentlich zerbrechlichen Materialien, durch eine reine Strukturierung der Materialien, Hochleistungswerkstoffe herstellen kann, die der Mensch selbst bisher nicht schaffen kann“, sagt Helmut Cölfen, Chemiker an der Universität Konstanz. Laut den Wissenschaftlern lässt sich das neu entdeckte Prinzip nutzen, um besonders dünne, aber bruchfeste Baustoffe zu entwickeln, die darüber hinaus biologisch abbaubar sind.