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Was Zähne uns über moderne Materialien lehren können

Darstellung der Beißkraft für den Zahnschmelz mehrerer Tiere. Bildnachweis: Idaho National Laboratory

So unwahrscheinlich es auch klingen mag, ein einfacher Zahn könnte eine bedeutende Rolle in der Zukunft der Welt sauberer Energie spielen.


Da Zahnschmelz einzigartige Eigenschaften hat, die ihn sowohl steif als auch elastisch machen, hat er eine Reihe wertvoller Anwendungen, die über das Beißen und Kauen hinausgehen. Kein synthetisches Material besitzt diese lebenswichtigen angeborenen Eigenschaften in gleichem Maße. Die Herstellung von Materialien mit einigen dieser Eigenschaften könnte erhebliche Auswirkungen sowohl auf saubere Energie als auch auf die nationale Sicherheit haben.

“Viele biologische Gewebe haben interessante und unterschiedliche Eigenschaften, aber wir untersuchen speziell den Zahnschmelz wegen seiner einzigartigen Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit”, sagte Carli Marsico, Praktikantin des Idaho National Laboratory und DOE Office of Science Graduate Fellow.

Das Office of Science vergab dieses prestigeträchtige Stipendium, damit Marsico das INL bei der Forschung unterstützen kann, die sowohl für die nationale Sicherheit als auch für saubere Energie, zwei Schlüsselbereiche des Labors, von entscheidender Bedeutung ist.

Marsicos Interesse an der Erforschung von Methoden zur Härtung monolithischer Keramik entstand aus ihrer Anwendung als Körperschutz für Soldaten. Vor ihrem Praktikum am INL war sie neugierig auf die einzigartigen Eigenschaften biologischer Gewebe und versuchte zu verstehen, wie sie im Verteidigungssektor nützlich sein könnten. Dies ist jedoch bei weitem nicht das einzige bahnbrechende Ergebnis dieser Forschung.

Das INL-Forschungsteam interessiert sich auch dafür, wie zähere Keramiken die Kosten im gesamten Sektor der sauberen Energie senken könnten. Da diese Keramiken ideal für Umgebungen mit hohen Temperaturen sind, werden sie häufig für Barrierebeschichtungen gegen Umwelteinflüsse sowie für andere Turbinenteile verwendet. Derzeit müssen diese Turbinenteile aufgrund der spröden Struktur der Keramik mit Verstärkungen „überdimensioniert“ werden.

Knacken unter Druck: Was uns Zähne über moderne Werkstoffe lehren können

Stellen Sie sich vor, wie verschiedene Emails ablenken und Stadien potenzieller Risse ansprechen. Bildnachweis: Idaho National Laboratory

Zäh und stark: Die Qualitäten eines Zahns

In der Materialwissenschaft beschreibt Festigkeit die Steifigkeit und Fähigkeit eines Materials, Verformungen zu widerstehen. Zähigkeit bezieht sich auf seine Fähigkeit, katastrophalen Ausfällen wie Rissbildung oder Bruch unter Druck standzuhalten.

„Das synthetische Material, das dem Zahnschmelz am ähnlichsten ist, ist eine monolithische Keramik, was sich auf alle Keramiken bezieht, die nur aus einem Material bestehen“, sagte Marsico. “Sie sind zuverlässig für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen, was sie in der Automobil-, Elektro- und Elektronik-, Energie- und Verteidigungsindustrie wertvoll macht.”

Monolithische Keramiken sind stark und widerstehen leicht Verformungen, sind aber auch eher spröde als zäh. Wenn sie fallen gelassen werden, zerbrechen sie leicht.

Im Zahninneren: Einsatz modernster bildgebender Verfahren

Um die Stärke und Zähigkeit von Zahnschmelz nachzuahmen und sie letztendlich auf monolithische Keramik anzuwenden, müssen Forscher verstehen, wie Zahnschmelz diese Eigenschaften besitzt. Dieses Verständnis erfordert geeignete Bildgebungsfähigkeiten. Dies war der Eckpfeiler von Marsicos Forschung, seit sie begann, mit der Modellierungs- und Simulationsforscherin Donna Guillen vom INL zusammenzuarbeiten.

  • Knacken unter Druck: Was uns Zähne über moderne Werkstoffe lehren können

    Bildnachweis: Idaho National Laboratory

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    Alligatorschmelz wird für die Bildgebung vorbereitet. Bildnachweis: Idaho National Laboratory

“Die Struktur des Zahnschmelzes eignet sich nicht gut für die aktuellen dreidimensionalen Bildgebungsverfahren, die wir haben”, sagte Marsico. „Unser Forschungsvorschlag schafft einen Weg, das zu umgehen – im Wesentlichen machen wir zweidimensionale Bilder von Zahnschmelz und übertragen sie in dreidimensionale Volumen.“

Um mit dieser vorgeschlagenen Methode sicher voranzukommen, mussten Marsico und das INL-Team sie validieren – in diesem Fall durch ein Synchrotron-Experiment. Synchrotrons sind große Maschinen, die Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, wodurch sie durch Magnetfelder abgelenkt werden und ein extrem helles Licht erzeugen. Dieses helle Licht dringt in die Zahnschmelzprobe ein, durchdringt sie vollständig und erzeugt ähnlich wie bei der Röntgenbildgebung ein Bild des Zahnschmelzinneren.

2021 nutzte das Team den gleichen Synchrotron-Prozess für das Experiment mit Tierzähnen. Durch die Betrachtung von Tierzähnen können Marsico und Guillen die einzigartigen Rollen und Anordnungen einiger der Merkmale des Zahnschmelzes verstehen, die sie am meisten interessieren. Anschließend werden sie bessere Rechenmodelle erstellen, um diese Merkmale zu rekonstruieren und sie auf synthetische Materialien anzuwenden.

“Der Zahnschmelz verschiedener Tiere ist für bestimmte Funktionen optimiert”, sagte Marsico. “Zum Beispiel ist der Zahnschmelz eines Pflanzenfressers für langsames Schleifen ausgelegt, während der Zahnschmelz eines Fleischfressers möglicherweise besser zum Beißen und Reißen neigt und auch stoßfester ist.”

Was machen wir jetzt? Saubere Energie und Verteidigungsanwendungen

„Sobald wir verstehen, was Zahnschmelz so widerstandsfähig macht, können wir diese Eigenschaften hoffentlich bei der Entwicklung monolithischer Keramik nachahmen. Dies wird eine leichtere und kostengünstigere Herstellung von Gegenständen wie Turbinenteilen und Körperschutz ermöglichen und dadurch sowohl die Sicherheit als auch die Sauberkeit unseres Landes stärken Energiezukunft”, sagte Marsico.


Forscher schaffen einen starken synthetischen Zahnschmelz, der dem natürlichen Zahnbelag ähnelt


Bereitgestellt vom Idaho National Laboratory

Zitat: Knacken unter Druck: Was Zähne uns über moderne Materialien lehren können (2022, 14. März), abgerufen am 14. März 2022 von https://phys.org/news/2022-03-pressure-teeth-modern-materials.html

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