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Neues Forschungsfeld zu biologischen Materialien

Zahnschmelz ist die härteste Substanz im menschlichen Körper und hält Millionen Kauzyklen über ein Leben hinweg stand. Zu verdanken hat er diese beeindruckenden Eigenschaften einer ausgetüftelten Mikrostruktur: Nanometer-große Mineralkristalle sind in komplexen, hierarchischen Mustern angeordnet, die Belastung optimal verteilen und etwaige Risse umlenken oder abfangen. Genauso verhält es sich auch in den Zähnen anderer Säugetiere und Reptilien. Ein neu aufgebautes Forschungsfeld an der Bergischen Universität Wuppertal unter Leitung von Prof. Dr. Swantje Bargmann (Fachgebiet für Computergestützte Modellierung in der Produktentwicklung) widmet sich der Aufgabe, zu verstehen, wie diese unterschiedlichen Mikrostrukturen mit den hervorragenden mechanischen Eigenschaften zusammenhängen – und wie sie genutzt werden können, um synthetische Materialien, zum Beispiel zur Anwendung in selbstschärfenden Werkzeugen, zu verbessern.

Der Wuppertaler Sibirische Tiger Wassja hat sich einen Eckzahn abgebrochen. Ein seltenes Ereignis, das der Forschung zugute kommt: Mikrostrukturanalysen zeigen ein komplexes welliges Muster im Zahnschmelz, das verantwortlich für die Widerstandsfähigkeit des Zahnschmelzes ist.

Ausgehend von denselben kristallinen Grundbausteinen haben unterschiedliche Spezies unterschiedliche Mikrostrukturen entwickelt, die genau auf das Ernährungsverhalten und äußere Faktoren abgestimmt sind. So sind die Zähne von Hyänen extrem rissunempfindlich, während die Schneidezähne von Nagetieren selbstschärfend sind.

Die Forschungsarbeit in diesem Projekt erfolgt in lokaler Kooperation mit Dr. Arne Lawrenz und Dr. Lisa Grund vom Grünen Zoo Wuppertal und dem Lehrstuhl für Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe der Bergischen Universität. Außerdem sind als externe Kooperationspartner der Zoo Duisburg und der Lehrstuhl für Materialphysik der Montanuniversität Leoben (Österreich) beteiligt.

Durch die interdisziplinäre Verbindung von Strukturanalyse, mikromechanischen Experimenten und numerischen Simulationen werden in diesem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt (im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme“) die zugrundeliegenden Mechanismen und Designprinzipien aufgeklärt, die es biologischen Materialien erlauben, optimale Eigenschaftskombinationen wie hohe Härte und extreme Rissfestigkeit zu erreichen.

Kontakt:
Dr. Jana Wilmers
Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik
Telefon 0202/439-2086
E-Mail wilmers{at}uni-wuppertal.de