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Napfschnecken-Zähne - das stärkste Natur-Material

Geniales Patent der Natur

Radula einer Napfschnecke
Raspelzunge einer Napfschnecke, jedes Zähnchen ist nur knapp einen Millimeter groß (Foto: University of Portsmouth)
Napfschnecken gehören bisher nicht gerade zu den Stars unter den Meerestieren. Doch ihre winzigen Zähnchen haben es in sich: Sie entpuppen sich als das bisher stärkste bekannte biologische Material – noch stärker als Spinnenseide, der bisherige Spitzenreiter. Dieses geniale Patent der Natur könnte als Vorbild für neue künstliche Verbundmaterialien dienen.

Napfschnecken sind eher unauffällige Gesellen: Wie kleine Kegel sitzen sie fest auf Felsen oder Holzbohlen in der Brandungszone des Meeres. Ihre harte, geriefte Schale schützt sie dabei perfekt vor der Wucht der Wellen. Mit ihrem Schalenmuskel klammern sie sich so fest an den Untergrund, dass sie nur extrem schwer abzulösen sind. Im Schutz der Dunkelheit aber kommt Bewegung in die Schnecken: Sie kriechen langsam umher und weiden den Algenaufwuchs auf dem Untergrund ab. Ihre Raspelzunge ist dafür mit feinen, knapp einen Millimeter großen Zähnchen besetzt.

Stärker als jedes andere Material der Natur

„Die Napfschnecken benötigen starke Zähne, um über die harten Feldoberflächen zu schaben und so die Algen abzulösen“, erklärt Asa Barber von der University of Portsmouth. Wie stark diese Zähne aber tatsächlich sind, haben er und seine Kollegen nun in einem Experiment enthüllt. Sie präparierten dafür Zähne der Napfschnecke Patella vulgata und testeten mit einem Rasterkraftmikroskop, welchem Druck feine Scheibchen des Zahnmaterials standhalten können. Jedes dieser Scheibchen war dabei hundertfach dünner als ein menschliches Haar.

Das überraschende Ergebnis: Das Zahnmaterial widerstand noch Kräften von rund 120 Gigapascal, bevor es brach – das entspricht dem 1,2 Millionenfachen des atmosphärischen Drucks. „Damit sind diese Zähne das bisher stärkste bekannte biologische Material und das einzige, das mit den stärksten künstlich hergestellten Karbonfasern vergleichbar ist“, sagt Barber. „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.“

Nanokristalle ohne Fehlstellen

Die Ursache für die ungewöhnliche Festigkeit der Napfschnecken-Zähne liegt in ihrem Material: Sie bestehen aus einer organischen Matrix, in die Nanokristalle aus Geothit eingebettet sind – einem eisenhaltigen Mineral. „Wir haben entdeckt, dass die Geothit-Fasern genau die richtige Größe besitzen, um das Verbundmaterial so widerstandsfähig zu machen“, erklärt Barber.

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Und noch etwas Besonderes hatten die Zähnchen: Ihre Stärke blieb gleich, egal wie lang das belastete Scheibchen war. „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.“

„Eine wunderbare Inspiration“

Die Entdeckung dieses Biomaterials ist für die Forscher ein weiteres Beispiel dafür, wie innovativ und effektiv die Natur sein kann. „Die Natur ist eine wunderbare Quelle der Inspiration für Strukturen mit außerordentlichen mechanischen Eigenschaften“, so Barber. „Alle Dinge, die wir um uns herum beobachten – Bäume, die Schalen von Meerestieren und die Schneckenzähne, die wir untersucht haben – haben sich so entwickelt, dass sie ihre Aufgabe möglichst effektiv erfüllen können.“

Was liegt daher näher, als von diesen Natur-Patenten zu profitieren und sich einige wertvolle Kniffe abzuschauen? „Das Material der Napfschnecken-Zähne könnte man in den Karosserien von Rennwagen, Bootsrümpfen oder Flugzeugteilen nutzen“, meint Barber. „Denn Ingenieure sind immer daran interessiert, etwas zu finden, dass diese Bauteile stabiler und gleichzeitig leichter macht.“

Quelle: Royal Society Journal Interface, doi: 10.1098/rsif.2014.1326

© natur.de – Nadja Podbregar
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