Schneckenzähne übertreffen Spinnenseide als stärkstes Material der Natur (2015)

• Britische Forschende testeten die Zähne von Napfschnecken, marinen Schnecken, und stellten fest, dass ihre Zugfestigkeit im Durchschnitt etwa fünfmal höher ist als die der meisten Spinnenseiden; damit waren sie das stärkste gemessene natürliche Material
• Die Zähne bestehen aus einer Verbundstruktur, bei der eine Proteinmatrix Goethit-Nanofasern, eisenhaltige Kristalle, umhüllt
• Die Obergrenze der Festigkeit liegt deutlich über Kevlar und ist mit hochwertigsten Kohlenstofffasern vergleichbar, erreicht aber nicht die stärksten künstlichen Materialien wie Graphen
• Napfschnecken haften sich mit einem muskulösen Fuß und Sekreten mit einer Kraft von 75 Pfund pro Quadratzoll an Felsen, nehmen Nahrung mit Zähnen auf, die in der Radula sitzen, und raspeln dabei Felsen ab
• Der Vergleichsmaßstab ist hier die Zugfestigkeit, also die Widerstandsfähigkeit gegen Reißen unter Zug; sie ist von Druckfestigkeit sowie von Härte gegen Kratzen oder Schneiden zu unterscheiden

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Struktur und Festigkeit von Napfschneckenzähnen

• Napfschnecken sind marine Schnecken, die fest an von Wellen umspülten Felsen leben; mit ihrem muskulösen Weichtier-„Fuß“ und chemischen Sekreten können sie mit einer Kraft von 75 Pfund pro Quadratzoll haften
• Beim Fressen raspeln sie Felsen mit der Radula ab, einer zahnbewehrten Zunge
• In Experimenten zeigte dieses Zahnmaterial im Durchschnitt eine etwa fünfmal höhere Zugfestigkeit als die meisten Spinnenseiden
  • Die Forschenden verglichen diese Festigkeit damit, dass ein einzelner Spaghettistrang etwa 3.300 Zuckerbeutel von je 1 Pfund tragen könnte
  • Es wurde beschrieben, dass es auch einem Druck standhalten könne, der Kohlenstoff in Diamant verwandelt; ein Hinweis der Redaktion stellte jedoch gesondert klar, dass der Vergleichsmaßstab im Artikel die Zugfestigkeit ist
• Die Zähne bestehen aus einer Struktur, in der eine Proteinmatrix die eisenhaltigen Kristalle Goethit-Nanofasern umhüllt
  • Die Obergrenze des gemessenen Bereichs liegt deutlich vor Kevlar und ist mit hochwertigsten Kohlenstofffasern vergleichbar
  • Sie sind schwächer als die stärksten künstlichen Materialien, darunter Graphen
• Die Forschungsergebnisse wurden im Journal of the Royal Society Interface veröffentlicht

Unterschiedliche Materialeigenschaften und technische Nutzung

• Vergleicht man starke Materialien auf der Erde breit, gibt es künstliche Nanomaterialien, die stärker sind als Diamant, und auch in der Natur zwei seltene Materialien, die größeren Spannungen standhalten als Diamant
  • Wurtzit-Bornitrid besitzt eine diamantähnliche Atomanordnung und besteht aus Bor und Stickstoff
  • Lonsdaleit besteht aus Kohlenstoff, hat aber anders als die kubische Struktur von Diamant eine hexagonale Struktur und kann entstehen, wenn graphithaltige Meteoriten auf die Erde treffen
  • Lonsdaleit kann 58 % größeren Spannungen standhalten als Diamant
• Der Vergleich mit Wurtzit-Bornitrid bezieht sich jedoch nicht auf die Zugfestigkeit, sondern auf die Härte, also den Widerstand gegen Kratzen oder Schneiden; er sollte daher nicht als Rangfolge nach demselben Maßstab wie bei Napfschneckenzähnen verstanden werden
• Harte, zugleich feste und flexible Materialien sind für die Entwicklung von Materialien, Strukturen und Maschinen der nächsten Generation nützlich; die Verbundstruktur von Napfschneckenzähnen wird zu einem Forschungsgegenstand für neue biomimetische Materialien

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Meinungen auf Hacker News

• Wer Fotos sehen möchte: In diesem Paper gibt es viele gute Materialien: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ece3.10332
  Wenn man einem Nacktschnecken den Finger hinhält, versucht sie daran zu knabbern; jetzt weiß ich endlich, woher dieses raue Gefühl wie Schleifpapier kommt.

  • Gartenschnecken rund um Seattle können einem tatsächlich winzige Bisse zufügen und sogar Blut ziehen, wenn man sie über die Haut kriechen lässt.
  • Ähnlich wie die Keratin-Papillen auf einer Katzenzunge, nur viel kleiner.
  • Wenn man etwas gespürt hat, das härter als die Haut war, hat sie nicht nur versucht zu fressen, sondern es im Grunde tatsächlich getan.
  • Das war deutlich unheimlicher, als ich erwartet hatte.

• Statt des Vergleichs „als würde eine einzelne Spaghetti 3.300 Ein-Pfund-Zuckerpackungen hochheben“ wäre ein Mittelklassewagen viel klarer gewesen.

  • Im ursprünglichen BBC-Artikel hieß es: „als würde eine einzelne Spaghetti 3.000 Packungen à 0,5 kg Zucker hochheben“.
    Das war ein Vergleich für 1.500 kg mit einem Gegenstand, der dem britischen Publikum vertraut ist. Smithsonian hat bei der Umrechnung der Einheiten daraus aber für Amerikaner eher ungewohnte Ein-Pfund-Zuckerpackungen gemacht. In den USA sieht man Ein-Pfund-Zuckerpackungen kaum, während 500-g-Packungen in Großbritannien, auch wenn sie etwas klein sind, recht üblich sind.
    https://www.bbc.com/news/science-environment-31500883
    https://www.sainsburys.co.uk/gol-ui/product/sainsburys-white...
  • Es ist ein Vergleich, der so tut, als wüsste jeder aus Erfahrung, wie viel 3.300 Ein-Pfund-Zuckerpackungen wiegen und welche Kraft nötig ist, sie anzuheben. Ein Mittelklassewagen ist dagegen in seiner Größenordnung unscharf, und tatsächlich hat auch niemand gesehen, wie jemand einen hochhebt.
  • Nicht nur die Zuckerpackungen sind problematisch, auch was mit einer einzelnen Spaghetti gemeint ist, ist unklar.
    Man weiß nicht, ob sich das auf Gewicht oder Volumen bezieht, ob sie gekocht und flexibel oder trocken und daher leicht brechend ist. Spaghetti sind auch kein Gegenstand, dessen Zugfestigkeit im Verhältnis zur Größe man intuitiv kennt; daher ist schwer zu verstehen, was der Vergleich visualisieren soll.
  • Auch je nachdem, ob ein europäischer oder amerikanischer Mittelklassewagen gemeint ist, unterscheidet sich das Gewicht.

• Statt Gewicht über eine Anzahl von Packungen wie „3.300 Ein-Pfund-Zuckerpackungen“ zu vermitteln, wäre ein modernes Auto besser.

  • Man müsste auch prüfen, ob man von ein paar kg Federn oder ein paar kg Stahl mehr heben kann: https://www.youtube.com/watch?v=-fC2oke5MFg
  • Solche überzogenen Einheitenvergleiche wirken auf mich jedes Mal wie ein scherzhafter Witz.

• Von Schneckenzähnen habe ich zuerst in Elisabeth Tova Baileys The Sound of a Wild Snail Eating erfahren.
  Es ist ein kurzes, schönes Sachbuch über eine Frau, die durch eine seltene Infektion neurologische Probleme bekommt und jahrelang fast nur im Bett verbringt; sie beobachtet eine Schnecke, die eine Freundin aus dem Wald mitgebracht und neben ihr Bett gesetzt hat, und vertieft sich mithilfe von Büchern aus der öffentlichen Bibliothek in Weichtiere. Nachdem ich es meinem Kind vorgelesen hatte, legten wir uns auf eine Wiese und hörten selbst, wie eine Nacktschnecke Pflanzen „tschack-tschack-tschack“ kaute.

• Wenn man Schnecken im Aquarium beobachtet, raspeln sie fast ununterbrochen an irgendetwas. Ich habe mich immer gefragt, wie diese winzigen Zähne das ohne Pause unbeschadet überstehen; die Struktur und Regeneration der Zähne war die Antwort.

• Ich wollte Fotos von Schneckenzähnen sehen.

  • https://old.reddit.com/r/AquaticSnails/search?q=teeth&restri...

• Das Original-Forschungspaper findet sich unter dem folgenden Link; die Links im Artikeltext sind defekt.
  https://royalsocietypublishing.org/rsif/article/12/105/20141...

• Diese Studie ist ein Paper aus dem Jahr 2015; 2017 wurde eine nützliche Korrektur zum Unterschied zwischen Druckfestigkeit und Zugfestigkeit ergänzt.

  • Härte ist ebenfalls eine eigene Eigenschaft. Diamant ist hart, aber gerade wegen dieser Eigenschaft kann man ihn mit einem Hammerschlag zerbrechen.