Revolution im Bau: Zement nach Vorbild der Natur verstärkt

An der Princeton University hat ein Team von Ingenieuren einen bemerkenswerten Durchbruch erzielt, indem es sich von der Natur inspirieren ließ, genauer gesagt von den Materialien in Austern- und Abalonenschalen. Sie untersuchten Perlmutt, das aus Calciumcarbonat und organischem Material besteht und in seinen natürlichen Formen eine außergewöhnliche Widerstandsfähigkeit und Flexibilität aufweist. Diese Eigenschaften wollten sie auf einen neuen Zementverbundstoff übertragen.

Traditionell ist Zement spröde und wenig flexibel, was ohne Verstärkung durch andere Materialien wie Stahl, Glas oder Polymere seine Anwendung in tragenden Strukturen einschränkt. Trotz Verbesserungsversuchen durch solche Verstärkungen bleiben die Fortschritte in der Bruchfestigkeit und Duktilität oft begrenzt. Um dieses Problem zu adressieren, entwickelten die Forscher von Princeton einen innovativen Ansatz, indem sie dünne Schichten aus Polymer mit Zementstein alternierend schichteten. Diese Methode wurde durch die Struktur des Perlmutts inspiriert, das aus hexagonal angeordneten Aragonit-Plättchen besteht, die durch ein weiches Biopolymer verbunden sind.

Der neu entwickelte Verbundwerkstoff imitiert die 3D-Ziegelmörtelstruktur des Perlmutts und integriert Polymerschichten, die die Gleit- und Energieabsorptionsmechanismen des natürlichen Vorbilds nachahmen. In Tests zeigte dieser Verbundwerkstoff eine um das 17-Fache höhere Rissfestigkeit und eine um 1791 Prozent gesteigerte Duktilität im Vergleich zu herkömmlichem Zement.

Die Forscher glauben, dass diese Ergebnisse nicht nur für Zement, sondern auch für andere spröde keramische Materialien wie Beton und Porzellan wegweisend sein könnten. Zukünftige Forschungen könnten sich darauf konzentrieren, verschiedene weiche Materialien zu integrieren, die Rillenformen für eine optimierte Defektintegration zu verbessern und die Produktionsmethoden durch Verfahren wie integrierte Laminierungs-Laser-Techniken oder additive Fertigung weiterzuentwickeln.

Die Forschung wurde von Shashank Gupta, einem Doktoranden am Fachbereich für Bau- und Umwelttechnik der Princeton University, maßgeblich mitgestaltet und bietet spannende Perspektiven für die Zukunft widerstandsfähigerer Infrastrukturen.