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Keramik, die nicht zerbricht
Keramik ist leicht und hart, aber man kann daraus keine Düsentriebwerke machen, weil sie wie Teller zerbrechen würden. Daher haben Materialwissenschaftler versucht, natürliche Materialien nachzuahmen, die Festigkeit (ein Maß für die Verformungsbeständigkeit) mit Zähigkeit (ein Maß für die Bruchfestigkeit) kombinieren. Insbesondere haben sie sich das poröse, aber widerstandsfähige Material namens Perlmutt angesehen, das Abalone-Muscheln auskleidet. Nun haben Forscher eine Methode entwickelt, um perlmuttartige Materialien im Labor herzustellen. Diese neuen Materialien haben ähnliche mechanische Eigenschaften wie Metalllegierungen und sind die härtesten Keramiken, die jemals hergestellt wurden. Das neue Verfahren könnte den Weg zu keramischen Baumaterialien für energieeffiziente Gebäude und leichte, aber belastbare Autorahmen weisen.
Biomimikry in loser Schüttung: Die Berkeley-Forscher stellten große Stücke der zähen Keramik her, während andere Wissenschaftler, die zähe natürliche Materialien nachahmten, nur dünne Schichten herstellen konnten. Die Struktur einer zähen Keramik ahmt die von Abalone-Schalen nach. Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (unten), die während eines Belastungstests aufgenommen wurde, zeigt eine Quelle der Zähigkeit des Materials: Schäden sind in kleinen, eingeschlossenen Rissen weit verbreitet.
Perlmutt, auch als Perlmutt bekannt, kombiniert Platten aus starkem, aber sprödem Kalziumkarbonat mit einem weichen Proteinkleber in einer Ziegel- und Mörtelstruktur, die 3.000 Mal härter ist als jeder der beiden Bestandteile. Wenn Wissenschaftler Verbundwerkstoffe im Labor herstellen, mitteln sich die Eigenschaften der resultierenden Materialien normalerweise aus denen ihrer Bestandteile. Wenn die Natur Verbundwerkstoffe herstellt, sind die Eigenschaften besser, sagt Robert Ritchie , Vorsitzender des Department of Materials Science and Engineering an der University of California, Berkeley, der die Keramikforschung mit leitete. Das liegt daran, dass die Verbundstoffe der Natur komplexe Strukturen haben, die schwer nachzuahmen sind. Die Leute haben es versucht, können aber diese Feinheit der Struktur nicht erreichen, sagt Ritchie.
Wissenschaftler versuchen seit Jahren, neue Materialien auf Basis von robusten Naturmaterialien wie Perlmutt und Knochen zu entwickeln. Die Berkeley-Keramik zeigt wirklich, dass es sehr erfolgreich sein kann, sich von der Natur inspirieren zu lassen, um bessere Materialien zu synthetisieren, sagt Julia Greer , ein Materialwissenschaftler bei CalTech.
Um ihre Keramiken zu perlmuttartigen Strukturen zu formen, erzeugen die Berkeley-Forscher zunächst eine Wassersuspension des zu strukturierenden Materials – in diesem Fall Aluminiumoxid. Dann kühlen sie es sehr kontrolliert ab. An einem Ende nimmt man die Hitze raus, erklärt Ritchie. Dies führt zu langen, dünnen Strukturen, die die Forscher nach dem Erhitzen zum Verdampfen des Wassers zu mikroskaligen, ziegelartigen Strukturen pressen. Wiederholt sich dieser Vorgang, entsteht eine geschichtete, poröse Struktur aus Aluminiumoxid-Steinen, die durch säulenartige Strukturen miteinander verbunden sind – die gleichen Formen wie bei natürlichem Perlmutt. Um den Proteinkleber in der Abalone-Schale nachzuahmen, füllen die Forscher die Zwischenräume dann mit einem Polymer. Dieser Vorgang ist online im Journal beschrieben Wissenschaft in dieser Woche. Andere Gruppen haben dünne Filme aus biomimetischen Materialien hergestellt; der Berkeley-Gruppe ist es gelungen, große Stücke herzustellen.
Ungepolstert durch das Polymer wären die Steine wie die meisten Keramiken spröde. Aber das Polymer lässt die ziegelartigen Schichten bei Belastung übereinander gleiten, was das Material bruchsicher macht. Tatsächlich ist diese Ziegel- und Mörtelstruktur härter als jede Keramik, die jemals im Labor hergestellt wurde. Hohe Zähigkeit und hohe Festigkeit sind in einer Keramik normalerweise unvereinbar, sagt Eric Stach , ein Werkstoffingenieur an der Purdue University, der nicht an der Berkeley-Arbeit beteiligt war. Aber die in Berkeley hergestellten Keramiken haben so viel Festigkeit und Zähigkeit wie Aluminiumlegierungen, mit denen man Flugzeuge fliegen kann, sagt Stach.
Obwohl sie darauf hinweisen, dass sich die perlmuttartigen Keramiken in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, sagen die Berkeley-Forscher, dass die Materialien Anwendungen von Keramiken ermöglichen sollten, die unerreichbar schienen. Sie könnten Keramik anstelle von Stahl verwenden, um den Rahmen eines Autos herzustellen und Kraftstoff zu sparen, sagt Ritchie. Antoni Tomsia, Materialwissenschaftler am Lawrence Berkeley Laboratory und Co-Leiter der Forschung, sagt, dass robuste Keramiken, die gute Isolatoren sind, als strukturelle Elemente in energieeffizienten Gebäuden eine doppelte Funktion haben könnten. Und sie könnten auch in leichten kugelsicheren Westen und Fahrzeugpanzerungen für das Militär verwendet werden.
Die neue Arbeit, sagen Materialwissenschaftler, weist den Weg für robuste biomimetische Materialien. Paul Hansma , Physikprofessor an der University of California in Santa Barbara, nennt die Arbeit erstaunlich und sagt, dass die Leistung der neuen Keramik die Messlatte in diesem wichtigen Bereich höher legt.
Ritchie und Tomsia sind zuversichtlich, das Material noch besser machen zu können. Natürliches Perlmutt hat keramische Strukturen, die um eine Größenordnung kleiner sind als die des Berkeley-Materials, sowie ein höheres Verhältnis von Ziegel zu Mörtel. Ritchie sagt, die Gruppe arbeite daran, die Keramiksteine kleiner und enger zusammenzufügen und den Polymergehalt zu verringern. Sie experimentieren auch mit verschiedenen Mörsern. Da die neu entwickelte Keramik ein klebriges Polymer enthält, würde sie in Umgebungen mit hohen Temperaturen wie im Inneren eines Motors versagen. Deshalb experimentieren die Berkeley-Forscher mit metallischen Füllstoffen, die höheren Temperaturen standhalten.