Natur als Vorbild 03.02.2014, 15:15 Uhr

Winzige Risse machen Glas 200 Mal stärker

Mit dem Laser haben kanadische Ingenieure winzige Risse mit wellenförmiger Struktur in Glasscheiben graviert. Dadurch wurde das Glas 200 Mal stärker und weniger spröde als normales Glas. Vorbild für die neue Technik ist die Struktur von Perlmutt.

Schneckenschale mit Perlmutt:  Perlmutt ist extrem hart, weshalb seine Struktur in den letzten 20 Jahren zum Gegenstand der Forschung geworden ist.

Schneckenschale mit Perlmutt:  Perlmutt ist extrem hart, weshalb seine Struktur in den letzten 20 Jahren zum Gegenstand der Forschung geworden ist.

Foto: Uni Göttingen

Der sprichwörtlichen Zerbrechlichkeit von Glas können kanadische Forscher jetzt offenbar eine neue Technik entgegensetzen. Die Bruchfestigkeit lässt sich damit nach Angaben der Wissenschaftler um das 200-fache verstärken. Mit einem Laser gravierten Professor François Barthelat und seine Kollegen winzige Muster in die Struktur des Glases. Dadurch wird es weniger spröde und verbiegt sich anstatt zu brechen. Ihre Erkenntnisse stellten die Ingenieure der McGill Universität im kanadischen Montreal jetzt im Fachblatt „Nature Communications“ vor.

Das eingravierte Muster absorbiert die Energie

Ihre Inspiration holten sich die Wissenschaftler aus der Natur, von schalenbildenden Weichtieren. „Die Schalen dieser Mollusken bestehen zu 95 Prozent aus Kalk, das in seiner reinen Form sehr spröde ist“, erklärt Professor Barthelat. „Aber das Perlmutt, das die innere Schale der Weichtiere überzieht, besteht aus mikroskopisch kleinen Blöcken, die man mit Lego-Bausteinen vergleichen könnte. Perlmutt ist extrem hart, weshalb seine Struktur in den letzten 20 Jahren zum Gegenstand der Forschung geworden ist.“ Der Versuch, den schichtweisen Aufbau von Perlmutt nachzuahmen, sei jedoch äußerst schwierig, so Barthelat.

Das neue Glas mit den eingravierten wellenförmigen Rissen ahmt die Mikro-Struktur von Perlmutt nach. Dadurch wird die Energie beim Aufprall absorbiert und die Brüchigkeit des Glases wesentlich verringert. 

Das neue Glas mit den eingravierten wellenförmigen Rissen ahmt die Mikro-Struktur von Perlmutt nach. Dadurch wird die Energie beim Aufprall absorbiert und die Brüchigkeit des Glases wesentlich verringert. 

Foto: Barthelat, McGill University

Mit seinem Team schlug Barthelat deshalb einen anderen Weg ein. Die Ingenieure sahen sich die Ränder und Grenzlinien, mit denen die Stapel und Schichten der „Lego-Blöcke“ aneinanderstoßen, genauer an.

Diese Schwachstellen in der Mikro-Architektur des Perlmutts werden zur eigentlichen Stärke des Materials. Zwischen den harten, aber brüchigen Verbünden können sich Risse, die etwa bei einem Stoß entstehen, nur unter hohem Energieaufwand ausbreiten. Das macht die Bruchfestigkeit des Perlmutts aus.

Solche Grenzverläufe versuchten die Forscher nachzuahmen und gravierten mit einem Laser ein dreidimensionales Netz aus winzigen Rissen in das Glas. Das Ergebnis sei dramatisch gewesen, berichtet Barthelat.

Neue Methode soll auch auf Keramik und andere Materialien übertragen werden

Die kleinen Glasplättchen aus Borosilikatglas, die vor allem für Anwendungen im Labor eingesetzt werden, seien nach der Laserbehandlung 200 Mal stärker gewesen im Vergleich mit ungravierten Glasplättchen. Das eingeritzte wellenförmige Muster, das Ähnlichkeit mit einem Puzzle hat, habe die Ausbreitung der Risse verhindert. Die Energie des Aufschlags wurde absorbiert, anstatt sich weiter ausbreiten zu können. Das Glas zerbrach nicht.

Barthelat und seine Kollegen glauben, dass sie die neue Methode ohne weiteres auch auf größere Glasplatten und andere Materialien übertragen können. „Wir haben zunächst mit Glas gearbeitet, weil es besonders brüchig ist“, sagt Barthelat. „Aber wir planen, auch andere Materialien wie Keramik oder Polymere zukünftig in unsere Forschungen einzubeziehen.“

Von Gudrun von Schoenebeck Tags:

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