Mikro-Feuerschutzmauer: Robuste Folien aus künstlichen Perlmutt-Analoga wirken als Hitzeschild

20.08.2010: Biologische Materialien faszinieren, weil sie so leicht sind und dennoch teilweise extremen Kräften standhalten. Perlmutt etwa ist erstaunlich zäh dank einer mehrschichtigen Anordnung aus plättchenförmigen Calciumcarbonat-Kristallen („Backsteinen“) und Proteinen („Mörtel“) in Form einer „Backsteinmauer“. Ein finnisch-schwedisches Team um Andreas Walther und Olli Ikkala hat nun ein Perlmutt-Analogon entwickelt, das in seinen mechanischen Eigenschaften Hochleistungspolymeren das Wasser reichen kann. Gleichzeitig wirkt es als Hitzeschild, wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten.

Das Interesse, robuste Biomaterialien nachzuahmen und für Konstruktions- und Beschichtungszwecke zu nutzen, ist hoch. „Bisher gestaltete es sich jedoch als sehr schwierig, überhaupt Proben vernünftiger Größe zu erhalten“, sagt Ikkala, „an einen Produktionsmaßstab war gar nicht zu denken.“ Das Team von der Universität Aalto/Helsinki und der Königlich-Technischen Hochschule in Stockholm hat kürzlich eine der Papierherstellung ähnliche, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode für die einfache und schnelle Herstellung Perlmutt-analoger hauchdünner Folien, Laminate und Beschichtungen entwickelt. Die Filme lassen sich beliebig groß herstellen und zeigen herausragende mechanische Eigenschaften.

Wie beim echten Perlmutt haben die Analoga eine Backsteinmauer-Struktur aus harten und weichen Bauteilen: Die „Ziegel“ bestehen aus harten Schichtsilikat-Plättchen, die mit einem weichen Polymer beschichtet sind. Die harte Komponente dient als tragender und verstärkender Teil, während die weichen Segmente als Binder fungieren und Energie abführen können. Nun gibt es eine weitere Verbesserung: Die Forscher beschichten die Silikat-Plättchen jetzt statt mit neutralen mit vielfach positiv geladenen Polymermolekülen (Polykationen). Über eine Wahl der Eigenschaften der negativ geladenen Gegenionen lassen sich die mechanischen Eigenschaften der hoch transparenten, biegsamen Filme auf einfache Weise variieren - und weiter verbessern: Mit zunehmender Ladung etwa vervielfachen sich Elastizität und Bruchfestigkeit, da die Haftung zwischen den mit Polykationen beschichteten Plättchen zunimmt.

Besonders interessant ist aber eine weitere Eigenschaft der neuen künstlichen Perlmuttanaloga: Werden die Materialien Flammen ausgesetzt, verbrennt das eingelagerte Polymer. Im Inneren entsteht dabei ein poröser Schaum, außen eine Art kompakter „Panzer“. Dieser Aufbau schirmt Hitze und Flammen effektiv ab wie ein Hitzeschild. „Unser neues Material könnte als feuerfeste Beschichtung oder Bestandteil von Feuer- und Hitzeschutzfolien interessant sein“, so Walther. „Das geringe Gewicht macht es besonders für See-, Luft- und Raumfahrt interessant.“

Originalveröffentlichung: Andreas Walther et al.; "Supramolekulare Kontrolle der mechanischen Eigenschaften feuerabschirmender biomimetischer Perlmuttanaloga"; Angewandte Chemie 2010, 122, No. 36, 6593-6599