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Ein superstarkes und leichtes neues Material
Ein neuartiges Material, bestehend aus Streben im Nanomaßstab, die wie die Streben eines winzigen Eiffelturms kreuz und quer verlaufen, ist eine der stärksten und leichtesten Substanzen, die jemals hergestellt wurden.
Winzige Traversen : Eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des neuen Materials zeigt seine keramischen Nanogitter.
Wenn Forscher herausfinden, wie man das Zeug in großen Mengen herstellt, könnte es als Strukturmaterial für die Herstellung von Flugzeugen und Lastwagen sowie in Batterieelektroden verwendet werden.
Forscher unter der Leitung von Caltech-Materialwissenschaftlern Julia Greiner fanden heraus, dass sie durch sorgfältiges Entwerfen von Streben und Gelenken im Nanomaßstab Keramik, Metalle und andere Materialien herstellen konnten, die sich nach dem Zerkleinern wie ein Schwamm erholen können. Die Materialien sind sehr stark und leicht genug, um wie eine Feder durch die Luft zu schweben. Die Arbeit wird heute in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft .
Bei konventionellen Materialien korrelieren Festigkeit, Gewicht und Dichte. Keramik zum Beispiel ist stark, aber auch schwer, sodass sie nicht als Strukturwerkstoffe verwendet werden kann, bei denen das Gewicht entscheidend ist – zum Beispiel in Autokarosserien. Und wenn Keramik versagt, neigt sie dazu, katastrophal zu versagen und wie Glas zu zersplittern.
Aber auf der Nanoskala gelten die gleichen Regeln nicht. In diesem Größenbereich sind die strukturellen und mechanischen Eigenschaften von Keramik weniger an Eigenschaften wie das Gewicht gebunden und können präziser verändert werden.
Für Keramik ist kleiner härter, sagt Greer, der als einer von ihnen genannt wurde MIT Technology Review ’s 35 Innovators Under 35 im Jahr 2008 für ihre Arbeit zur Nanomechanik. Das bedeutet, dass Traversen im Nanomaßstab aus keramischen Materialien sowohl sehr leicht – wenig überraschend, da sie größtenteils aus Luft bestehen – als auch extrem stark sein können.
Im Jahr 2011 Forscher bei HRL-Labors , ein privates Ingenieurforschungsunternehmen, hat eines der leichtesten Materialien entwickelt, das jemals hergestellt wurde, ein Mikrogitter aus hohlen Metallrohren. Greer arbeitete mit dem Unternehmen zusammen, um das Material zu charakterisieren, und entschied sich später, die größere Herausforderung anzunehmen, Keramik mit ähnlichen Eigenschaften herzustellen. Dies erforderte die Feinabstimmung von Strukturen im Nanobereich, was bedeutet, dass die Materialien noch schwieriger herzustellen sind.
Zur Herstellung der keramischen Nanoträger verwendet Greers Labor eine Technik namens Zwei-Photonen-Interferenzlithographie. Es ist vergleichbar mit einem 3-D-Laserdrucker mit sehr geringer Ausbeute.
Zunächst nutzen sie diese Methode, um aus einem Polymer die gewünschte Struktur, ein Gitter, herzustellen. Das Polymergitter wird dann mit einer Keramik wie Aluminiumoxid beschichtet. Sauerstoffplasma ätzt das Polymer heraus und hinterlässt ein Gitter aus hohlen Keramikröhren.
Das Labor von Greer zeigte, dass es durch die Änderung der Dicke der Rohrwände möglich ist, zu kontrollieren, wie das Material versagt. Bei dicken Wänden zerbricht die Keramik wie erwartet unter Druck. Aber Traversen mit dünneren Wänden, nur 10 Nanometer dick, knicken ein, wenn sie zusammengedrückt werden, und nehmen dann ihre Form wieder an.
Sie erwarten nicht, dass sich diese Materialien erholen – Sie erwarten, dass sie spröde sind und brechen, sagt Christoph Spadaccini , ein Ingenieur, der sich auf Materialherstellung am Lawrence Livermore National Laboratory des US-Energieministeriums in Kalifornien spezialisiert hat.
Die neuen Materialien könnten vor allem für den Einsatz in Batterien interessant sein, stellt fest Nikolaus Fang , ein Maschinenbauingenieur am MIT, der auch an nanostrukturierten Keramiken arbeitet. Nanostrukturen haben eine sehr große Oberfläche und sind leicht, eine Kombination, die zu einer schnell aufladbaren Batterie führen könnte, die viel Energie in einem praktischen Paket speichert. Tatsächlich sagt Greer, dass sie mit einem deutschen Elektronikunternehmen zusammenarbeitet Bosch ihre Entwürfe auf Lithium-Luft-Batterien anzuwenden.