Was haben Kühe, Kängurus und Napfschnecken gemeinsam? Ihre Zähne sind besonders hart und deshalb für die Forschung sehr interessant. Sie eignen sich besonders gut als Vorbild, um in Simulationen passende künstliche Materialien zu entwickeln, die dann – nach verschiedenen weiteren Forschungs- und Entwicklungsschritten – in unserem Alltag Anwendung finden könnten, zum Beispiel als verschleißfester Werkstoff, Schutzbeschichtung oder in der Medizintechnik. 

Swantje Bargmann ist Professorin an der Bergischen Universität. Mit ihrem Fachgebiet Computergestützte Modellierung in der Produktentwicklung steht sie ganz am Anfang des Prozesses und betreibt Grundlagenforschung zu biologischen Materialien. „Es geht immer darum, von der Natur zu lernen“, sagt sie. Die Forscherin interessiert der Aufbau einer Struktur, damit diese künstlich nachgebildet werden können.

Das härteste Material der Welt

Vor knapp zwei Jahren machte Bargmann international auf ihr Fachgebiet aufmerksam, als sie gemeinsam mit Wissenschaftler*innen aus den USA, Singapur, Österreich, den Niederlanden und Deutschland herausfand, dass die Zähne der Napfschnecke das stärkste auf der Erde vorkommende natürliche Material sind. „Die Napfschnecken findet man überall in den Meeren dieser Welt“, erzählt sie. „Die sind ungefähr vier mal vier Zentimeter groß und haben klitzekleine Zähne, die man so mit dem bloßen Auge nicht sehen kann.“ Diese Zähne sind ein wenig gekrümmt und die Schnecken kratzen damit ihre Nahrung vom Stein ab. „Deshalb müssen die Zähne so hart sein“, resümiert Bargmann. Die Professorin und ihr Team schauen sich die Mikrostruktur, also den inneren Aufbau des Zahns, an und übertragen ihre Erkenntnisse dann auf andere ingenieurwissenschaftliche Materialien.

Napfschneckenforschung begann in Großbritannien

Als das stärkste natürliche Material der Welt galt lange Zeit die Spinnenseide. Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen an den Napfschnecken begannen 2015 in Großbritannien, weiß Bargmann. Die Engländer beschäftigten sich schon länger mit den Zähnen der Tiere aus der Region und aus dem Meer. Man ahnte schon aufgrund der Ernährung der Schnecken, dass deren Zähne besonders hart sein könnten. „Wir haben hier 2018 mit den Untersuchungen angefangen und uns die Struktur der Zähne genauer angeguckt“, erklärt die Wuppertaler Wissenschaftlerin. Nach vielen Tests konnte das Team eine weitere, noch unbekannte Eigenschaft der Zähne herausfinden, die dem Laien unerklärbar erscheint. „Das Material ist auxetisch“, sagt Bargmann.

Auxetisches Material

„Wenn ich etwas in eine Richtung ziehe, verkürzt es sich üblicherweise in die andere Richtung. So verhalten sich die allermeisten Materialien auf der Welt und das ist auch das Bild, was wir vor Augen haben“, so Bargmann. Das gelte aber nicht für die Zähne der Napfschnecke. „Wenn ich daran ziehe, dehnt sich das Material in die eine und die andere Richtung aus“, erläutert die Forscherin. 

Was sich wie Zauberei anhört, erschließt sich selbst Fachleuten erst, nachdem sie mehrere Bilder gesehen haben und eine Vorstellung bekommen, wie sich das Material bewegt. „Das war vorher nicht bekannt und das hatten wir auch nicht erwartet“, berichtet Bargmann. 

Oberste Forschungsprämisse: Das Material muss stark und hart sein

Viele Materialien aus der Natur wurden bereits adaptiert und in der Produktentwicklung eingesetzt. „Jedes Material geht aber auch irgendwann kaputt“, sagt Bargmann. „Wir beschäftigen uns hier am Lehrstuhl grundsätzlich mit sehr festen Körpern und sind an Materialien interessiert, die sehr lange halten, hohen Lasten standhalten und nachhaltig sind.“ Materialien sollen heute zudem auch möglichst leicht sein, denn das entlaste auch finanziell die Transportwege der Produkte. 

Außer mit den Zähnen der Napfschnecke beschäftigen sich die Grundlagenforscher*innen auch mit Zähnen anderer Tiere. „Wir haben mit der Kuh angefangen, weil man Kuhzähne relativ leicht bekommt. Der Kuhzahn besteht aus zwei verschiedenen Materialien, die man im synthetischen Werkstoff durch ganz andere ersetzen würde. Da geht es uns nicht darum, welches Material man konkret nimmt, sondern wir geben Tipps an die Materialwissenschaft, was für Eigenschaften dieses Material haben muss.“

Auch das Zahnmaterial eines australischen Kängurus wurde bereits untersucht. Dazu die Wissenschaftlerin: „Ein Lehrlabor hatte einen Schädel eines Kängurus, der heruntergefallen war und nicht mehr für deren Zwecke genutzt werden konnte. Die wussten aber, dass ich daran Interesse habe und haben mir den Schädel überlassen.“ Viele Materialien haben per se Risse, so auch unsere Zähne. Jedoch komme es selten vor, dass ein Zahn durchbreche. Bargmann beschäftigt sich auch mit der äußeren Schutzschicht von Muscheln, insbesondere Perlmutt, weil auch diese Schicht extrem hart ist. 

Sogar mit menschlichen Muskeln wurde simuliert, denn kleinste Mikrorisse im Muskelmaterial nehmen wir schmerzlich als Muskelkater wahr, der aber nach ein paar Tagen von selbst abklingt. Daher seien diese Materialien von großem Interesse für die Anwendung. „Wir versuchen also immer, die biologischen Strukturen zu verstehen, um dann die neuen Materialien vom Aufbau ausgehend zu designen.“

Produktentwicklung profitiert von Grundlagenforschung

Die aus den Simulationen generierten Erkenntnisse geben die Grundlagenforscher*innen an die Materialwissenschaftler*innen weiter. Bargmanns Grundlagenforschung steht also am Anfang, die von ihr weitergegebenen Erkenntnisse führen erst zur Herstellung des alternativen Materials. „Für ein Produkt brauche ich ein Material. Der nächste Schritt ist also die Herstellung des Materials durch die Materialwissenschaft. Dann muss das Produkt noch designt und in den Einsatz gebracht werden. Dafür haben wir dann die Produktentwicklung.“

In Sachen Napfschneckenzähne tut sich auch bereits etwas. Die feinen Strukturen der Zähne wurden 2022 in einem englischen Labor der Universität von Portsmouth künstlich nachgebildet. Nun arbeiten die Wissenschaftler*innen daran, diese künstlichen Napfschneckenzähne zu optimieren, denn das Material eignet sich unter anderem zur Herstellung von schusssicheren Westen, die augenblicklich noch aus Kevlar, einem im Herstellungsprozess giftigen Material bestehen, das auch nicht recycelt werden kann.

Bargmann betont abschließend, dass sie in ihrer Forschung nicht auf ein bestimmtes Material festgelegt ist und sagt: „Solange die Materialien toll und kompliziert sind und irgendetwas besonders gut können, finde ich sie spannend.“