Stabiles Glas

Glasscheibe mit Hammer zerbrochenGlas als Baustoff ist im Bauwesen ja nicht unbedingt selten. Fenster wollen schließlich irgendwie verschlossen werden. Doch Glas hat eine negative Eigenschaft: es zerbricht sehr schnell. Natürlich kann man hiergegen mechanisch Abhilfe schaffen, indem man eine (oder mehrere) Folie(n) als Verstärkung zwischen zwei (oder mehr) Glasscheiben legt und kraftschlüssig verbindet. Dann erhält man mit solch einem Aufbau ein Verbundsicherheitsglas (VSG, auch ‚Panzerglas‘ genannt), wie es beispielsweise auch bei Autoscheiben eingesetzt wird. Dieses Glas splittert nicht, sondern ’springt‘ nur und behält im Wesentlichen seine Form. Doch es geht auch anders. Und härter. Hart wie Perlmutt oder Zahnschmelz, wie die Forschung zeigt.

Perlmutt besteht in der Hauptsache aus Kalziumkarbonat sowie ein wenig organischem Material, das für das Wachstum verantwortlich zeichnet, und wird von Weichtieren wie Muscheln oder auch einigen Schneckenarten als innerster Panzer zum Schutz vor Fressfeinden eingesetzt. Der größtenteils anorganische Zahnschmelz besteht aus dem Mineral Apatit sowie ebenfalls ein wenig organischem Material und ist darüber hinaus das härteste Gewebe, das man im menschlichen Körper finden kann. Beiden gemein ist, dass sie extrem hart und widerstandsfähig und dennoch nicht spröde oder brüchig sind.

Doch warum? Und was hat das alles mit einem Glas zu tun, das noch stabiler sein soll als Verbundsicherheitsglas?

Die Antwort ist relativ einfach. Perlmutt und Zahnschmelz sind dank ihrer besonderen mikroskopischen Strukturen aus mineralischen Anteilen besonders stabil. Diesen Ansatz haben sich Forscher der McGill University in kanadischen Montreal zu Nutze gemacht, die Strukturen von Perlmutt und Zahnschmelz analysiert und ‚einfach‘ nachgebaut.

Beim Perlmutt sind es mikroskopisch kleine, schuppenartig angeordnete Plättchen aus dem harten Material Kalziumkarbonat, die durch ein weicheres Material bestehend aus Zucker und Proteinen zusammengehalten werden. Dass das Kompositmaterial bei mechanischer Beanspruchung nicht reißt, liegt wiederum an der überlappenden Anordnung und einer welligen Verschränkung der anorganischen Plättchen. Auch beim Zahnschmelz werden harte mineralische Bausteine – auch wenn diese stäbchenartig geformt und angeordnet sind – durch Proteine weich miteinander verbunden. Im Bereich der Innenseite des Zahnschmelzes sind diese Stäbchen verflochten, was auch hier wieder die Ausbreitung von Rissen verhindert.

Die Übertragung dieser Strukturen resultiert nun ist einer Glasart, die um das 200-facher stabiler ist als herkömmliches Glas. Die Bruchfestigkeit des Glases wurde dabei durch das Fräsen von wellenförmigen Rillen in dessen Oberfläche beeinflusst. Eigentlich sollte man nun davon ausgehen, dass auf diese Weise Sollbruchstellen geschaffen würden.

Aber nein, weit gefehlt. Mit einem Abstand von 80 bis 130 Mikrometern zueinander stabilisieren diese Rillen das Glas anstatt es zu schwächen. Gießt man die Rillen zudem mit einer elastischen Polyurethan-Dispersion aus, die die Randzonen der Rillen zusammenhält und Belastungen dämpft, kann man die Flexibilität und die Stabilität des Glases noch einmal verdoppeln und besagte Verbesserungen um den Faktor 200 erreichen.

Das Interessante an diesen Erkenntnissen ist aber nicht alleine die Steigerung der Festigkeit von Glas. Die Forscher sehen auch Möglichkeiten zur Erhöhung der Stabilität durch die von ihnen entwickelte Methode in anderen spröden Materialien wie Keramik oder Bakelit. Mal sehen, was uns da noch erwartet…

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