Das Geheimnis des gläsernen Schwamms

Euplectella: Erstaunlich komplexer Aufbau.

Euplectella, ein einfacher Meeresschwamm aus Glasfasern, ist praktisch unzerbrechlich. Neues Wissen um die optimale Verknüpfung der tierischen Skelett-Fasern soll Ideen liefern für feste Konstruktionen. Doch das eigentliche Rätsel bleibt ungelöst.

Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam entschlüsselte die Bauprinzipien, nach denen das gläserne Skelett von Glasschwämmen konstruiert ist. Die Wissenschaftler des Max- Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung (Potsdam), den amerikanischen Bell Labs und der Universität Kalifornien berichteten in «Science», warum der Glasschwamm Euplectella praktisch unzerbrechlich ist. Nun soll der Tiefseeschwamm Ingenieure inspirieren, wie man sogar aus Glas bruchsicher bauen kann.
Der sog. Giesskannenschwamm lebt in Meerestiefen von 40 bis 5000 Metern, das heisst unter Druckverhältnissen, die staunen lassen, dass das filigrane Skelett des Schwamms nicht darunter zerbricht. Der Glasschwamm sieht aus wie ein weisser, durchlöcherter Kolben. Durch die feinen Löcher kriechen immer wieder Larven einer bestimmten Garnelenart ins Innere. Meist siedeln sich dort Pärchen an, die dann rasch zu gross werden, um wieder ins Freie zu gelangen. Sie sind gefangen und verbringen ihr ganzes Leben im bis zu 15 Zentimeter langen Schwamm. Der wird in Japan deshalb auch «Gefängnis der Ehe» genannt und ist ein beliebtes Hochzeitsgeschenk. Wegen seiner Form nennt man den Giesskannenschwamm zudem auch Venusblumenkörbchen.
Wie vermag der Glasschwamm den mechanischen Beanspruchungen in der Tiefe des Meeres zu trotzen? Selbst im Inneren ist sein feines Fasergerüst bedroht: Die Krabben verfügen über beachtliche Zangen, mit denen sie die Fasern zu kappen versuchen. Doch auch das gelingt nicht. Der Glasfaserkäfig ist rundum perfekt konstruiert und praktisch unzerbrechlich. Wie ist so etwas möglich?
«Das Skelett dieses Geschöpfs ist ein Lehrbuchbeispiel für das Ingenieurwesen», sagt Joanna Aizenberg von den renommierten Bell Labs. Aizenberg gehört mit zu jenen Forschern, die den Euplectella vom Nano- bis zum Zentimeterbereich untersuchten. Sie stellten fest, dass im Glasschwamm mehrere Konstruktionsprinzipien kombiniert sind, die aus dem spröden Material einen harten Käfig machen. Die Fasern sind über viele Grössenordnungen und mindestens sieben hierarchische Ebenen optimal miteinander verknüpft.
Eine erste Antwort fand sich im Inneren der Fasern, die aus konzentrisch angeordneten Glasschichten mit wenigen Mikrometern Dicke aufgebaut sind. Die Glaslamellen sind untereinander durch eine hauchdünne Klebeschicht aus organischer Matrix verbunden. Das Glas selbst entsteht offenbar durch das Aneinanderfügen von Silikat-Nanopartikeln, wie sich durch Ätzungen zeigen liess. Nanopartikel, Lamellen und Fasern bilden weitere hierarchische Ebenen. Der Faseraufbau in Form eines Mikrolaminats ist ganz wesentlich für die Verringerung der Sprödigkeit des Glases. Risse und Kratzer führen daher nicht so leicht zum Bruch wie bei massivem Glas, denn Risse werden an den organischen Zwischenschichten abgelenkt und so am Ausbreiten gehindert. Ein Bündel aus einer Vielzahl von Fasern unterschiedlicher Dicke ist mit Glaszement zu starken Konstruktionsstäben verbunden. Diese sind vertikal, horizontal und diagonal angeordnet und zu einem lockeren Netz verwoben. Ihre Struktur ähnelt einer Fachwerkkonstruktion. Die genaue Analyse zeigte, dass die diagonalen Verstrebungen gerade ausreichen, um das Fachwerk gegen Scherung zu versteifen. Die gesamte Struktur ist zusätzlich durch spiralförmige Rippen verstärkt, um ein Quetschen der Käfigstruktur zu erschweren.
Die siebte Ebene ist die geschwungene Form des Käfigs selbst. Er verjüngt sich nach unten, wo der Schwamm durch dünne Glasfäden im Meeresboden verankert ist. Damit ist der Schwamm ein Lehrbuchbeispiel, wie sich mit spröden Materialien wie Glas bruchfeste Strukturen erzeugen lassen. Einzelne dieser Prinzipien sind in der Werkstoffwissenschaft, in der Mechanik und in der Architektur längst bekannt und werden auch eingesetzt. Die Faseranordnung von Euplectella erinnert stark an berühmte Bauwerke wie den Eiffelturm oder den Swiss Re Tower in London.
Doch überaus erstaunlich ist, dass im Tiefseeschwamm bekannte Ingenieurprinzipien gleich mehrfach angewandt und kombiniert werden, und zwar auf vielen Grössenskalen. «Ähnliches ist aus dem Bereich der Technik noch nicht bekannt und bedeutet einen neuen Impuls für die biomimetische Materialforschung», schreiben die Forscher.
Das wesentliche Geheimnis behält der durch und durch untersuchte Tiefseeschwamm allerdings für sich: Es ist mit den bekannten Theorien nicht erklärbar, wie ein vergleichsweise primitiver Organismus ein derart komplexes und über viele hierarchische Stufen optimiertes Gebilde hervorbringen kann. (rh.)

Quellen: «Science», 8. Juli 2005
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Bell Labs