Zähne der Napfschnecken sind das stärkste biologische Material
Arme Spinnen, ihr müsst jetzt sehr tapfer sein: Spinnenseide galt bisher als das stärkste biologische Material. Aus, vorbei. Die Zähne der Napfschnecke sind noch stärker als Spinnenseide. Sie widerstehen dem Druck von mehr als einer Million Atmosphären.
Gefährlicher Anblick: Die Zähne der Napfschnecke sind zwar winzig, aber enorm stabil.
Foto: University of Portsmouth
Die kleine unscheinbare Napfschnecke hat das Zeug dazu, zum neuen Bionik-Star aufzusteigen. Forscher der University of Portsmouth haben jetzt herausgefunden, das die winzigen Zähne der Napfschnecke an Festigkeit sogar die legendäre Spinnenseide toppen.
„Bisher dachten wir, dass die Spinnenseide das stärkste biologische Material ist, aber jetzt haben wir entdeckt, dass die Zähne der Napfschnecken eine noch höhere potenzielle Kraft entfalten“, sagt Professor Asa Barber von der Technischen Fakultät der University of Portsmouth. „Sie sind das bisher stärkste bekannte biologische Material und das einzige, das mit künstlich hergestellten Karbonfasern vergleichbar ist.“ Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler jetzt im Fachmagazin „Journal of the Royal Society Interface“ veröffentlicht.
Die Zähne halten den Druck von 1,2 Millionen Atmosphären aus
Die Forscher haben der Schnecke mit dem lateinischen Namen Patella vulgata im Wortsinn ordentlich auf den Zahn gefühlt. Sie präparierten die Zähnchen und schnitten das Material in extrem dünne Scheibchen, die hundertfach dünner waren als das beliebte menschliche Haar zum Größenvergleich. Die Stabilität dieser Scheibchen maßen sie mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops in seitlicher und in Längsrichtung.
Das verblüffende Ergebnis in Zahlen: Das Zahnmaterial von Patella vulgata widerstand Kräften von rund 120 Gigapascal, bevor es brach. 120 Gigapascal entsprechen dem 1,2 Millionenfachen des atmosphärischen Normaldrucks.
Zehnmal härter als der Zahn des Menschen
Die Zähnchen erreichten eine Zugfestigkeit von 4900 Megapascal. Die legendäre Spinnenseide erreicht eine Zugfestigkeit von bis zu 4000 Megapascal. Das härteste Material im menschlichen Körper ist der Zahnschmelz. Der menschliche Zahn erreicht eine Zugfestigkeit von nur 500 Megapascal.
Napfschnecken leben in Brandungszonen, wo sie sich mit großer Kraft an Felsen festsaugen und mit ihrer zahnbewehrten Zunge Algenteppiche abgrasen.
Quelle: University of Portsmouth
Der Grund für die extreme Robustheit der Zähnchen der Napfschnecken liegt in ihrem Lebensraum. Die Tiere ernähren sich von Algen, die sie mit ihren harten, knapp einen Millimeter großen Zähnen vom Felsen, auf dem sie siedeln, abschaben. Mit einer Zahnhärte wie beim Menschen, wären die Zähne von Patella vulgata ziemlich schnell abgenutzt und sie müsste verhungern.
Die Stärke ist unabhängig von der Größe
Die Forscher um Asa Barber haben auch das Geheimnis der extrem großen Festigkeit gelüftet. Es liegt in den Fasern verborgen, aus denen die Zähnchen aufgebaut sind. Diese Fasern sind tausendmal dünner als das beliebte menschliche Haar. „Zum einen sind die Fasern sehr dünn, zum anderen stecken in jedem Zahn sehr viele Fasern“, erklärt Barber. „Das ist der Grund für die enorme Festigkeit.“
Die Zähnchen von Patella vulgata haben noch eine Besonderheit. „Normalerweise hat eine größere Struktur mehr Fehlstellen und bricht daher schneller als eine kleinere Struktur“, erklärt Barber. „Die Napfschnecken brechen diese Regel, denn ihre Zähne bleiben gleich stabil, egal wie groß die Materialprobe ist.“
Potenzial für viele technische Anwendungen
Die Zähne der Napfschnecken bestehen aus einer organischen Matrix, in die Nanokristalle aus Geothit, einem eisenhaltigen Mineral, eingebettet sind. „Wir haben entdeckt, dass die Geothit-Fasern genau die richtige Größe besitzen, um das Verbundmaterial so widerstandsfähig zu machen“, erläutert Barber, der schon an viele technischen Anwendungen denkt. „Das Material könnte man in den Karosserien von Rennwagen, Bootsrümpfen oder Flugzeugteilen nutzen, denn Ingenieure sind immer daran interessiert, etwas zu finden, das diese Bauteile stabiler und gleichzeitig leichter macht.“ Patella vulgata ist der neue Bionik-Superstar.
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