Durch seine Transparenz, Steifigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber vielen Beanspruchungen gehört Glas zu den wichtigsten Nutzmaterialien des Menschen. Doch leider besitzt es auch eine problematische Eigenschaft: Seine geringe Bruchfestigkeit schränkt die Einsatzmöglichkeiten ein und ist die Ursache für berüchtigte Schäden: So manches Handy- oder Tablet-Display ist nach einem Sturz schon zersplittert. Techniken wie Härten und Laminieren können zwar zur Verstärkung von Glas beitragen, sind aber kostspielig und funktionieren nicht mehr, wenn die Oberfläche einmal beschädigt ist. Deshalb widmen sich Materialforscher bereits seit einiger Zeit der Herausforderung, Glas zu entwickeln, das neben seinen begehrten Eigenschaften auch eine erhöhte Bruchfestigkeit aufweist.
Von Perlmutt inspiriert
Ein Team von der McGill University orientiert sich dabei an Vorbildern aus der Natur. “Die Evolution ist ein Meister des Designs. Wenn man die Struktur biologischer Materialien studiert und versteht, wie sie funktionieren, kann man sich von ihnen inspirieren lassen und sie als Vorlage für neue Materialien nutzen”, sagt Seniorautor Allen Ehrlicher. Konkret versuchen die Wissenschaftler bereits seit Jahren, die Merkmale des Perlmutts von Muschelschalen auf Glasmaterialien zu übertragen. “Erstaunlicherweise hat Perlmutt die Eigenschaften eines steifen Materials, aber auch die Widerstandsfähigkeit eines weichen”, sagt Ehrlicher. Das Geheimnis beruht dabei auf der Kombination von winzigen harten Kalkplättchen mit weichen Proteinen. Im Perlmutt bildet dieses Verbundmaterial eine backsteinmauerartige Struktur aus. „Sie verleiht dem Perlmutt eine Festigkeit, die 3000-mal höher ist als die der Einzelmaterialien”, sagt Ehrlicher.
Bisherige Versuche, das System auf Glas zu übertragen, haben zwar bereits zu Erfolgen geführt. Doch dabei ließ die Transparenz der Materialien zu wünschen übrig und auch die Herstellung war aufwendig. Deshalb haben Ehrlicher und seine Kollegen erneut an einem alternativen Ansatz gearbeitet. Die Wissenschaftler ahmten die Architektur von Perlmutt dabei durch Schichten aus Glasflocken in Kombination mit dem relativ weichen Kunststoff Acryl nach. In die backsteinmauerartige Struktur des Vorbilds Perlmutt wird das Verbundmaterial dabei durch Zentrifugationsprozesse gebracht.
Vielversprechendes Glas-Verbund-Material
Durch diese vergleichsweise einfache und kostengünstige Methode entstand zunächst ein Material, das zwar sehr hart und bruchstabil war – aber noch nicht durchsichtig. So widmeten sich die Wissenschaftler anschließend der Herausforderung, dem Verbundstoff optische Transparenz zu verleihen. “Es gelang uns schließlich, den Brechungsindex des Acryls so einzustellen, dass es nahtlos mit dem Glas verschmilzt und einen wirklich transparenten Verbundwerkstoff ergibt”, berichtet der Erstautor Ali Amini.
