Eine kürzlich in Biophysics Reviews veröffentlichte Studie wies darauf hin, dass das alte Meerestier Perinereis cultrifera eine ungewöhnliche Kieferstruktur aufweist. Diese Kreatur nutzt „scharfe Zähne“, die aus Proteinen und Metallionen bestehen, um Nahrung zu fangen und zu zerkleinern. Seine einzigartige Zusammensetzung und seine physikalischen Eigenschaften haben Wissenschaftler dazu veranlasst, ein neues Materialklassifizierungskonzept vorzuschlagen – „Biometall“.
Biologen haben bei der Definition von Materialeigenschaften lange Zeit häufig biologische Gewebe von Mineralien und Metallen unterschieden. Ein gemeinsames Forschungsteam der Technischen Universität Wien (TU Wien) und der Universität Wien führte jedoch mithilfe von Nanoindentationstests, chemischer Analyse und präziser Bildgebungstechnologie eine eingehende Sektion des Wurmkiefers durch und stellte fest, dass er eine Härte und einzigartige Leistung aufweist, die herkömmliche biologische Materialien übertrifft.
Die Studie ergab, dass sich an der Spitze des Wurmkiefers eine extrem hohe Konzentration an Metallionen befindet, was das Teil extrem hart macht und in der Lage ist, hochintensive Beißaufgaben effektiv zu erledigen. Was die Forscher noch mehr überraschte, war, dass diese Backen, wenn sie mikroskopischem Druck ausgesetzt wurden, einen „Nix-Gao-Nanoindentationsgrößeneffekt“ zeigten, der dem von Metallen wie Kupfer oder Silber ähnelte. Das heißt, bei kleineren Maßstäben lässt sich das Material schwieriger einpressen. Dies ist auf die dramatischeren Spannungsänderungen in der Atomstruktur in dem winzigen Bereich zurückzuführen.
Obwohl das biologische Gewebe eine ähnliche Härte wie Metall aufweist, weist es auch mechanische Eigenschaften auf, die bei gewöhnlichen kristallinen Metallen nicht zu finden sind. Studienautor Christian Hellmich wies darauf hin, dass der Kiefer des Wurms eine größenabhängige Elastizität aufweist, was bedeutet, dass sich seine Verformungs- und Erholungsfähigkeit nach Belastung mit verschiedenen Beobachtungsskalen ändert. Diese Eigenschaft unterscheidet „Biometalle“ vollständig von herkömmlichen Industriemetallen wie Kupfer und Silber.
Derzeit hat das Forscherteam mithilfe mathematischer Modelle erklärt, wie diese komplexen elastischen Effekte aus Prozessen auf atomarer Ebene entstehen. Das Forschungsteam sagt, dies sei nur der erste Schritt zur Erforschung dieses Gebiets. In Zukunft planen die Forscher, den Forschungsumfang zu erweitern, mehr Arten zu untersuchen, um den theoretischen Rahmen von „Biometallen“ zu verbessern, und eingehend zu untersuchen, ob genetische Eingriffe die Struktur und Eigenschaften solcher natürlichen Materialien verändern können. Diese Forschung zeigt nicht nur die Raffinesse und Eleganz der Natur im Materialdesign, sondern liefert auch umfassende Ideen für die Entwicklung neuer bionischer Materialien.