Biologische Materialforschung

Zerbrechlich wie Glas – für Glück mag das gelten, nicht aber für ­einen besonderen, in der Tiefsee lebenden Glasschwamm. Dabei besteht sein filigranes Stützskelett tatsächlich weit gehend aus Silikat, also dem Grundbestandteil von Glas. Wieso das zarte Gebilde so bruchfest ist, interessiert nicht nur Zoologen. Die Geheimnisse »biologischer Materialien« zu lüften, um die Natur besser zu verstehen und von ihr zu lernen, gehört zu den Aufgaben des neuen Forschungsfelds der biologischen Materialforschung.

Biologische Gewebe, Zellen und Zellkomponenten als Materialien anzusehen, ihre mechanischen, optischen und magnetischen Eigenschaften zu ergründen, ist zwar eine ungewohnte Perspektive auf die belebte Natur. Tatsächlich aber spielen ­diese Eigenschaften für die jeweilige biologische Funktion oft eine wichtige Rolle – ob es sich nun um Haut, Knochen oder ­Eiweißmoleküle handelt. Darüber hinaus könnten die Bauprinzipien von Kakteen, Bäumen, Muschelschalen oder Schmetterlingsflügeln dazu inspirieren, neuartige Werkstoffe mit nützlichen Eigenschaften zu entwickeln, bestehende zu optimieren und synthetische Materialien umweltschonender herzustellen^1,2.

NICHT EINFACH KOPIERBAR

Wenn die Natur so viel zu bieten hat, warum nicht einfach das natürliche Vorbild kopieren? Dies ist leichter gesagt als getan, wie etwa das Perlmutt zeigt, das den Schalen von Muscheln und anderen Weich­tieren Festigkeit verleiht. Es besteht zu 95 Prozent aus plättchenförmigen Kalziumkarbonatkristallen und widersteht Angriffen von Fressfeinden doch 3000-mal besser, als es das reine Mineral könnte. Denn die Kristalle sind in eine organische Matrix eingebettet – und die nimmt die Energie mechanischer Gewalt auf und verteilt sie, bevor sich ein Mikroriss von Kristall zu Kristall fortsetzen könnte.

Anders als industriell gefertigte Keramik entsteht ein derartiger Verbundwerkstoff nicht in einem einfachen, sondern in einem mehrstufigen Prozess. Indem Forscher einzelne Schritte davon imitierten, also Biomimetik betrieben, gelang es ihnen, eine perlmuttartige Substanz herzustellen, die vom biologischen Original kaum zu unterscheiden ist. Der wissenschaftliche Aufwand lohnt: Perlmutt könnte als Vorbild für neue Werkstoffe dienen^3,4.