Der Kiefer eines kleinen Meereswurms bringt Biologie und Metallkunde auf verblüffende Weise zusammen. Statt aus Knochen oder Kalk besteht dieses Beißwerkzeug aus Strukturproteinen, die mit Metallionen verwoben sind, und erreicht dadurch eine metallähnliche Härte. Messungen zeigen ein mechanisches Verhalten, das sonst nur von Metallen wie Kupfer oder Silber bekannt ist, sich aber zugleich klar von ihnen unterscheidet. Forschende ordnen dieses Material einer neuen Klasse zu, die sie als Bio-Metall bezeichnen und die frische Wege für die Werkstoffforschung eröffnen könnte.
Räuberische Borstenwürmer gehören zu den ältesten Bewohnern der Meere und tragen ein erstaunliches Werkzeug im Kopf. Die Art Perinereis cultrifera nutzt kräftige Kiefer, um Beute zu greifen, zu zerdrücken und zu zerkleinern. Anders als bei Wirbeltieren bestehen diese Kiefer nicht aus verkalktem Gewebe, sondern aus einem dichten Netz aus Strukturproteinen, in das Metallionen eingelagert sind. Diese Verbindung aus organischem Gerüst und eingelagerten Ionen verleiht dem Material eine Härte, die man eher von technischen Werkstoffen erwarten würde. Schon länger vermuten Fachleute, dass solche metallkoordinierten Proteine mechanisch ganz eigene Regeln befolgen. Weil das Zusammenspiel von Proteinen und Ionen so ungewöhnlich ist, taugt der Wurmkiefer als ideales Studienobjekt, um die Grenze zwischen belebtem Gewebe und metallischem Werkstoff neu zu vermessen und besser zu verstehen.
Der Begriff Bio-Metall meint dabei mehr als nur ein biologisches Material, das zufällig hart ist. Forschende definieren ihn über drei Merkmale: eine hohe Härte, ein besonderes Verformungsverhalten unter Last und eine enge Verzahnung von Ionen und Proteinen. Damit grenzt sich die neue Kategorie bewusst von älteren Bezeichnungen ab, die lediglich metallähnliche Festigkeit oder Leitfähigkeit beschrieben. Um solche Eigenschaften überhaupt sichtbar zu machen, braucht es Messverfahren im Mikro- und Nanobereich, die winzige Kräfte präzise erfassen. Genau hier setzt die aktuelle Untersuchung an, die den Wurmkiefer nicht nur an der Oberfläche, sondern entlang seines Querschnitts prüft. So lässt sich klären, ob ein Material aus der Natur denselben Gesetzmäßigkeiten folgt wie ein klassisches Metall oder ob es einen eigenen, bislang kaum beschriebenen Weg der Materialwissenschaft geht.
Für die Analyse setzte das Team aus TU Wien und Universität Wien auf Nanoindentation, ein Verfahren, bei dem eine winzige Spitze mit definierter Kraft in das Material gedrückt wird. An elf Stellen des Kiefers und in sechs verschiedenen Tiefen maßen die Forschenden, wie stark das Material dem Eindringen widersteht. Ergänzend nutzten sie chemische Analysen und hochauflösende Bildgebung, um die Verteilung der Metallionen sichtbar zu machen. Dabei bestätigte sich, dass die Ionen an den Spitzen des Kiefers dichter sitzen als im Zentrum, was die härteren Spitzen erklärt. Die Details dieser Messreihe legen die Autoren in ihrer Studie in Biophysics Reviews offen, die Experiment und mathematische Modellierung verbindet. Solche ortsaufgelösten Messungen zeigen, dass die Natur die Härte gezielt dorthin verlagert, wo das Werkzeug beim Zubeißen am stärksten belastet wird.
Besonders auffällig war ein Phänomen, das Fachleute als Größeneffekt kennen: Je kleiner der geprüfte Bereich, desto härter erschien das Material. Bei kristallinen Metallen entsteht dieser Effekt durch Versetzungen, also winzige Fehlstellen im Atomgitter. Der Wurmkiefer besitzt jedoch kein solches metallisches Kristallgitter, sondern ein Gefüge aus ionengebundenen Proteinen, und zeigt den Effekt trotzdem. Noch ungewöhnlicher verhielt sich die Elastizität, also die Fähigkeit, sich nach einer Belastung wieder zu formen. Dieses Verhalten änderte sich ebenfalls mit der Größe des geprüften Bereichs, und zwar auf eine Weise, die Kupfer oder Silber so nicht kennen. Genau dieser Unterschied trennt das Bio-Metall von gewöhnlichen Metallen und macht es für die Materialwissenschaft so reizvoll, denn er verweist auf einen eigenen Bauplan der Festigkeit, wie ihn bereits die Grundidee der Bionik als Vorbild aus der Natur beschreibt.
Um das ungewöhnliche elastische Verhalten zu erklären, griffen die Forschenden auf ein mathematisches Modell zurück, das mikroskopische Kräfte mit der großräumigen Mechanik verknüpft. Dieses Werkzeug soll helfen, künftig gezielt Werkstoffe zu entwerfen, die Härte und Nachgiebigkeit auf ähnlich clevere Weise verbinden wie der Wurmkiefer. Denkbar sind selbstschärfende Schneiden, verschleißfeste Beschichtungen oder Bauteile, die ohne energieaufwendige Metallverarbeitung auskommen. Reizvoll ist zudem, dass die Natur solche Härte bei Raumtemperatur und im Wasser erzeugt, während technische Hartstoffe oft hohe Temperaturen erfordern, wie das Beispiel besonders harter Kohlenstoffstrukturen zeigt. Noch handelt es sich um Grundlagenforschung, und der Weg vom Wurmkiefer zum industriellen Werkstoff ist weit. Die Studie liefert jedoch eine belastbare Grundlage, um Bio-Metalle systematisch zu vermessen und ihre Prinzipien auf technische Werkstoffe zu übertragen.
Biophysics Reviews, Bio-metals: Ancient biological materials with nanoindentation size effects: Experiments and elements of manifold micromechanics; doi:10.1063/5.0325367