Biometall: Das metallische Geheimnis einer uralten Maulhöhle untersucht

Forscher haben eine faszinierende Mischung aus Biologie und Materialwissenschaft in den Kiefern eines alten Meeresräubers entdeckt, die Eigenschaften offenbart, die traditionelle Klassifikationen von Materialien in Frage stellen. Ein Team von Wissenschaftlern der TU Wien (Wien University of Technology) und der Universität Wien untersuchte den Borstenwurm Perinereis cultrifera, dessen Kiefer Eigenschaften aufweisen, die typischerweise mit Metallen verbunden sind, was sie veranlasste, den Begriff "Bio-Metall" einzuführen, um solche natürlichen Materialien zu beschreiben.

Die Studie konzentrierte sich auf die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der Kiefer der Würmer mit fortschrittlichen Techniken wie Nanoindentation, chemischer Analyse und hochauflösender Bildgebung. Die Forscher beobachteten, dass die Konzentration von Metallionen an den Spitzen der Kiefer im Vergleich zu ihren zentralen Regionen signifikant höher war. Diese Verteilung trägt zur erhöhten Härte an den Rändern bei, wodurch der Wurm seine Beute effektiv zerquetschen kann. Das Team bestätigte frühere Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass die Anwesenheit von Metallionen die physische Widerstandsfähigkeit des Kiefergewebes verbessert.

Weitere Untersuchungen ergaben eine weitere faszinierende Eigenschaft: Die Kiefer zeigten ein Phänomen, das als Nix, Gao-Nanoindentation-Größe-Effekt bekannt ist, der üblicherweise bei Metallen wie Kupfer und Silber beobachtet wird. Dieser Effekt beschreibt, wie kleinere Regionen eines Materials aufgrund von Veränderungen der Dehnungsniveaus im atomaren Maßstab zunehmend härter werden. Im Fall der Kiefer des Borstenwurms bedeutete dies, dass kleinere Abschnitte der Eindringung stärker als größere widerstehen, was das Verhalten herkömmlicher Metalle widerspiegelt. Christian Hellmich, einer der Hauptautoren der Studie, betonte, dass diese Eigenschaften zwar denen synthetischer Metalle ähneln, die biologischen Ursprünge des Materials sie jedoch unterscheiden.

Die Elastizität variiert je nach Maßstab, an dem sie gemessen wird, eine Eigenschaft, die bei herkömmlichen Metallen seltener vorkommt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, die diese mechanischen Verhaltensweisen antreiben, entwickelten die Forscher mathematische Modelle, die die Wechselwirkungen auf atomarer Ebene simulieren. Diese Modelle helfen zu erklären, wie die Anordnung von Ionen und Proteinen im Kiefergewebe zu den beobachteten mechanischen Reaktionen führt.

Hellmich erwähnte, dass das Team gerade erst anfängt, die Oberfläche dieses komplexen Bereichs zu kratzen, mit Plänen, ihre Forschung auf andere Arten auszuweiten und die Beziehung zwischen genetischen Faktoren und Materialeigenschaften zu untersuchen. Die Implikationen dieser Entdeckung gehen über die Grundlagenwissenschaft hinaus in mögliche Anwendungen in der Technik und im Materialdesign. Durch das Verständnis, wie Organismen Materialien mit solch bemerkenswerten Eigenschaften produzieren, könnten Wissenschaftler neue biomimetische Materialien entwickeln, die die Stärken sowohl organischer als auch anorganischer Substanzen kombinieren.

Im Laufe der Studie will das Team mehr über die evolutionären Wege entdecken, die zur Entwicklung solch anspruchsvoller Materialien in der Natur geführt haben.