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Stabilstes Naturmaterial: Nichts ist so stark wie der Zahn der Napfschnecke

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Rekord: Stabilstes Naturmaterial stammt von Schnecke Fotos
Corbis

In Napfschnecken steckt ein biologischer Superlativ: Ihre Zähne sind das festeste Biomaterial der Welt. Sie halten zehnmal größere Kräfte aus als das Gebiss des Menschen.

Wie kleine Hütchen kleben die Napfschnecken an den Felsen und gehen ihrem Tagewerk nach. Als wären sie kleine Staubsauger, schieben sie sich über den Felsen, und raspeln dabei mit ihrer Zunge, der Radula, die Algen vom Stein. Auf dieser Radula sitzen winzige Zähnchen, die erstaunliche Eigenschaften besitzen, wie Forscher jetzt festgestellt haben. "Der Zahn der Napfschnecke ist das festeste Biomaterial, das wir kennen", sagt Asa Barber von der University of Portsmouth. Er und seine Kollegen haben ihre Ergebnisse jetzt im Fachmagazin "Journal of the Royal Society Interface" veröffentlicht.

Die Forscher unterzogen die winzigen Zähnchen einer Zugfestigkeitsprüfung. Sie untersuchten mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops, welche Kräfte nötig sind, damit das Material versagt. Das Ergebnis: Die Zugfähigkeit der Napfschnecken-Zähne erreichte sogar noch höhere Werte als Spinnenseide.

Spinnenseide gehört zu den festesten biologischen Materialien und ist etwa so zugfest wie die stabilsten kommerziell gefertigten Karbonfasern. Das kann die Napfschnecke noch toppen: "Die Festigkeit der Napfschnecken-Zähne ist vergleichbar mit den Fasern, die in kugelsicheren Westen stecken, wie Kevlar", sagt Barber.

In Zahlen liest sich das dann so: Im Mittel erreichten die Zähne eine Zugfestigkeit von 4900 Megapascal (MPa). Das wäre in etwa so, als würde man an eine Spaghettinudel einen Mittelklasse-Pkw mit einer Masse von 1,5 Tonnen hängen, ohne dass die Nudel zerreißt. Die Spinnenseide, die bisher den Rekord hielt, kann eine Zugfestigkeit von bis zu 4000 Megapascal erreichen. Der menschliche Zahn kann da nicht mithalten und erreicht nur Werte von 500 Megapascal. Aber wir müssen ja auch keine Steine abraspeln oder Mittelklasse-Pkw ziehen.

Zugfestigkeit darf man übrigens nicht mit Härte verwechseln. Ein Material ist härter als ein anderes, wenn es beim Aneinanderreiben Spuren darin hinterlässt. Über extrem harte Zähne verfügt beispielsweise die im Meer lebende Käferschnecke. Zugfestigkeit hingegen wird definiert über die Kraft pro Fläche, die an einer Probe zerrt, bis das Material reißt.

Das Leben auf Felsen ist auch der Grund für die enorme Robustheit der Napfschnecken-Zähne. Täglich raspelt das Weichtier unermüdlich die Algen von den Steinen. Wären sie nur so robust wie ein menschlicher Zahn, wären sie schnell abgenutzt, das Tier würde verhungern.

Das Geheimnis ihrer Festigkeit steckt in den Fasern, aus denen der Schneckenzahn aufgebaut ist. Sie haben einen extrem kleinen Durchmesser, tausendmal dünner als ein menschliches Haar. "Zum einen sind die Fasern sehr dünn, zum anderen stecken in jedem Zahn sehr viele Fasern", sagt Barber. "Das ist der Grund für die enorme Festigkeit."

Noch ist die Studie kein Rezept für neue, besonders feste Materialien nach biologischem Vorbild. Die Forscher beschreiben zwar den Aufbau der kleinen Zähnchen. Sie bestehen aus winzigen Nanofasern, die in eine Eiweißmatrix eingebettet sind. Im Unterschied zur Spinnenseide ist der Schneckenzahn damit ein Kompositwerkstoff, wie die Materialforscher sagen.

"Bei diesen Werkstoffen spielt immer die Interaktion von Füllstoff und Matrix eine entscheidende Rolle für die Eigenschaften", sagt Sebastian Boris Hein, Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Bremen."Damit aber die Erkenntnisse für die Anwendung nutzbar werden, müssten wir noch genauer verstehen, wie die Eiweißmatrix aufgebaut ist und mit den Nanofasern interagiert."

Grundsätzlich habe man das Prinzip besonderer Festigkeit in der Natur schon länger verstanden, sagt Hein. Trotzdem räumt er ein: "Die besondere Festigkeit der Napfschnecken-Zähne ist beeindruckend."

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insgesamt 11 Beiträge
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1.
Timo Schöber 18.02.2015
Solche Forschung finde ich durchaus sinnvoll. Ich hoffe, dass man daraus praktische Erkenntnisse gewinnen kann ohne Tiere leiden zu lassen. Denn auch Napfschnecken sind empfindungsfähige Lebenwesen.
2.
andros0813 18.02.2015
verstehe ich nicht...man kann materialien wegen ihren aufbaus nicht vergleichen, tut es aber hier...spinnenseide hat über jahrmillionen eine hohe zugfestigkeit entwickelt, der zahn der schnecke eine hohe reibefestigkeit...was soll also dieser vergleich?? aber äpfel&birnenvergleicher gabs schon immer.
3. Wozu die hohe Zugfestigkeit
vineta21 18.02.2015
... gut sein soll, diese Erklärung bleibt der Text schuldig. Richtigerweise wird auf den Unterschied von Härte und Zugfestigkeit hingewiesen (zum Raspeln sollte woll eher die Härte und die Scherfestigkeit wichtig sein). Auch hätte man sich mehr Informationen zu den beteiligten Materialien gewünscht (Mikrofasern: organische Materialien? ist Arragont beteiligt?, im Fototext ist von Magnetit die Rede.).
4. @Andros0813
Ellcrys123 18.02.2015
Haben Sie sich den Artikel nicht durchgelesen? In dem Artikel wurde die Zugfestigkeit der Zähne untersucht und diese mit der Zugfestigkeit der Seide verglichen.
5.
OWL-Dirk 18.02.2015
Nö, wieso Äpfel und Birnen? Hier wurde doch eindeutig die Zugfestigkeit der verschiedenen Materialen verglichen, das ist eine recht exakt definierte Materialeigenschaft, deren Ermittlung normiert ist. Mit 4900 MPa liegt der Schneckenzahn dabei tatsächlich in der Größenordnung der zugfestesten technischen Fasern, wie Dyneema, Zylon, Aramid oder Basaltfasern. Lediglich exotische Materialien wie Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren erreichen weit höhere Werte.
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