Korallen als Vorbild für schaltbare Materialien

Philadelphia (USA) - So sehr der Klimawandel die Korallen weltweit bedroht, so vielseitig sind ihre Eigenschaften. Manche Arten können sich dank ihres filigranen Skeletts binnen Sekunden versteifen und sich so vor Fressfeinden oder starken Wellenschlag schützen. Ein deutsch-amerikanischen Team von Forschenden hat diese einzigartigen mechanischen Eigenschaften genauer untersucht. Wie sie in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ berichten, ließen sich die von den Korallen genutzten Strategien zur Entwicklung neuartiger Materialien mit schaltbarer Festigkeit nutzen.

Die Arbeitsgruppe um Chenhao Hu und Ling Li von der University of Pennsylvania in Philadelphia sammelte an der östlichen Pazifikküste Proben der Roten Gorgonie, Leptogorgia chilensis. Diese Korallenart lebt in bis zu 60 Meter Wassertiefe und erreicht mit seinen fein strukturierten Ästen eine Größe von rund 30 Zentimetern. Diese Äste bewegen sich sanft im Wellenschlag, können sich aber auch schlagartig versteifen. Verantwortlich dafür ist der pfiffige Aufbau des Skeletts, das Ling Li mit seinen Kolleginnen und Kollegen bis auf Mikrometer genau analysierten.

Extrem hoch aufgelöste Aufnahmen von Röntgen- und Elektronenmikroskopen offenbarten zahlreiche schaftförmige Skelettteile, die so genannten Skleriten. Diese festen, mineralischen Kalkkörperchen sind in eine flüssige Gelmatrix eingelagert. Wie Polypen verzweigen sich die Sklerite an ihren Enden in mehrere Arme. An diesen Armen widerum befinden sich viele nadelförmige Fortsätze. Wirken nun starke Kräfte von Außen, verzahnen sich diese Fortsätze und versteifen so innerhalb weniger Sekunden das gesamte Skelett. Ohne äußere Kräfte können sich diese Verzahnungen lösen und die Korallenarme werden wieder flexibel.

Ihre Beobachtungen ordneten die Forschenden in einem umfassenden Datensatz. Dabei bestimmten sie abhängig vom Grad der Verzahnungen die daraus resultierende Steifigkeit. Diese Daten sollen nun als Grundlage für ausgeklügelte Baupläne von neuen, mikrostrukturierten Materialien dienen. Auch diese könnten nach dem Vorbild der Roten Gorgonie durch äußere Zug- oder Druckreize reversibel von einem flexiblen in einen steifen Zustand schalten. Solche Werkstoffe haben das Potenzial für sehr leichte und hoch effiziente Stoßdämpfer, kontrolliert steuerbare Roboter-Greifer oder auch medizinische Orthesen. In Zukunft könnten sie beispielsweise mit 3D-Druckern gefertigt werden.