Dafür analysierten sie die Struktur von kleinen Stücken des Schuppenpanzers, indem sie diese mit stark beschleunigten Röntgenstrahlen aus einem Synchrotron (Teilchenbeschleuniger) beschossen. Dabei entsteht ein Beugungsmuster, dass Aufschluss gibt über den molekularen Aufbau des Materials. Während dieser Analysen setzten die Wissenschaftler ihre Proben verschiedenen mechanischen Belastungen aus und prüften, wie sich dabei die innere Struktur veränderte.
Doppelt hält besser
Wie sich zeigte, liegt das Geheimnis des Arapaimas-Panzers in zwei Dingen: einem raffinierten Materialmix und einer besonders flexiblen Anordnung der schützenden Schichten und Fasern. Die Schuppen des Fisches sind aus zwei unterschiedlichen Schichten aufgebaut, wie die Forscher berichten. Die äußere ist einen halben Millimeter dick und bildet eine harte, stark mineralisierte Schale. “Sie liefert die Härte, die gegen starkes Verformen schützt und die Zähne des Angreifers abbrechen lässt”, erklären Zimmermann und ihre Kollegen. Allerdings macht der hohe Mineralgehalt das Material auch spröde. Aber die raue Oberfläche und eine besondere Anordnung der Schuppen sorgen dafür, dass die Schale nicht bricht, sondern den Druck beim Biss nach innen weiterleitet.
Die innere Panzerschicht ist rund einen Millimeter dick und sehr viel nachgiebiger. Sie besteht aus Kollagenfasern, die in Lamellen unterschiedlicher Orientierung neben- und übereinander gestapelt sind. In die Lamellen eingelagerte Nanokristalle machen diese stabil, erhalten dabei aber ihre Flexibilität. Wie diese Lamellenschicht auf Belastung reagierten, zeigten die Experimente: “Bei Druck passen die Lamellen ihre Ausrichtung an, sie dehnen sich und ändern ihre Winkel”, berichten die Forscher. Die meisten Fasern bewegen sich dabei in Richtung des höchsten Drucks, während ein kleinerer Teil in die entgegengesetzte Richtung dreht. Diese Verschiebungen führen dazu, dass das Material einem steigenden Druck immer mehr Widerstand entgegen setzt. Gleichzeitig verhindert es die Ausbreitung von Rissen, wie Zimmermann und ihre Kollegen erklären.
“Damit ist dieser Panzer ein gutes Beispiel dafür, wie die Natur multifunktionale Strukturen entwickelt”, konstatieren die Forscher. In diesem Falle sorge die Architektur der Panzerschuppen dafür, dass sie ein Eindringen verhindern, ohne dabei die Flexibilität zu gefährden.
Nadja Podbregar
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