Biokeramiken – der Natur abgeschaut

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Keramiken sind Schlüsselbestandteile des Lebens und bilden sehr vielfältige Strukturen, die man z. B. auch in Muscheln, Skeletten, aber auch in Zähnen finden kann. Für die Materialforschung sind Keramiken jedoch sehr schwer zu verarbeiten, da sie sehr hart sind und einen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Normalerweise werden Keramiken bei über 1.000 Grad Celsius hergestellt.

Mutter Natur schafft es aber scheinbar mühelos, diese keramischen Strukturen in Wasser zu erschaffen – und das bei sehr milden Reaktionstemperaturen. Für die Forschung ist dies aber immer noch ein großes Rätsel. Forschern in Hongkong ist es nun gelungen, ein wenig mehr Licht in den Prozess der sogenannten Biomineralisierung zu bringen.

Auf der Basis von multi-ionischen wässrigen Lösungen werden Biokeramiken mit hochgradig variabler Zusammensetzung in einem zunächst gelatineartigen Zustand hergestellt. Diese Gele verfügen über eine außergewöhnliche Stabilität, die eine Lagerung, einen Transport, die Formgebung und auch die Verarbeitung wesentlich erleichtert.

Wichtig für diesen Prozess der Mineralisierung waren hier Ausgangsstoff-Lösungen aus Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium in den Salzformen Carbonat, Chlorid und Dihydrogenphosphat. Gleichmäßige, dicke weiße Gele wurden hier durch einfaches Mischen erzeugt, die eine sehr hohe Stabilität bei Umgebungstemperaturen aufweisen. Diese Gele behalten ihre hochgradig ungeordnete Natur und ihr homogenes Aussehen über Tage oder Wochen.

Einfacher zusammengesetzte Lösungen bilden hingegen innerhalb von Minuten kristalline Präzipitate. Diese nassen Gele wurden dann durch einfaches Verdichten und leichter Krafteinwirkung verfestigt. Dieser spannungsinduzierte Mineralisierungsprozess ist besonders geeignet, um biokeramische Architekturen mit komplexen Phasen-/Eigenschaftsprofilen unter milden wässrigen Bedingungen sehr präzise herzustellen. Ein solch einfacher, aber sehr wirksamer Ansatz, bei dem gewöhnliche Salze in Wasser gemischt und dann komprimiert werden, zeugt einmal mehr von der bewundernswerten Planung von Mutter Natur.

Somit steht ein neuer Weg offen, der einen einfachen Zugang zu vielfältigen Keramiken von technologischer Bedeutung eröffnet, z. B. zum dreidimensionalen Druck von mehrschichtigen, unterschiedlich zusammengesetzten Biokeramiken oder auch besonders zu mineralischen Unterwasserklebstoffen.

Wir werden bei SVP diesen Prozess weiterverfolgen und halten Sie gerne auf dem Laufenden.

Autor: Dr. Ronald Hinz, Market Intelligence Senior Expert, SVP Deutschland AG
Quellen: Supervariate ceramics: biomineralization mechanism; University of Hong Kong, Hong Kong, China; in Materials Today Advances; https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2021.100144; May 2021