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Starke, leichte und dehnbare Materialien
Forscher haben winzige Aluminiumoxidplättchen in einem Polymer dispergiert, um ein Material herzustellen, das zäh, dehnbar und leicht ist. Das Material könnte zu langlebigeren Knochen- und Zahnimplantaten sowie zu leichteren, kraftstoffsparenderen Auto- und Flugzeugteilen führen. Es könnte auch verwendet werden, um biegsame, transparente Elektronik herzustellen.
Natur kopieren: Ein Querschnitt durch Perlmutt oder Perlmutt zeigt Calciumcarbonat-Plättchen, die in Schichten angeordnet sind, die durch ein Biopolymer getrennt sind (oben). Forscher haben die Struktur von Perlmutt nachgeahmt, indem sie Aluminiumoxidplättchen im Biopolymer Chitosan (unten) dispergiert haben, wodurch ein Nanokomposit entsteht, das stark, dehnbar und leicht ist.
In ihrem Bestreben, starke und dennoch leichte Materialien herzustellen, versuchen Chemiker und Materialwissenschaftler seit langem, in der Natur vorkommende Nanostrukturen nachzuahmen. Schalen, Knochen und Zahnschmelz bestehen alle aus steifen Keramikplättchen, die wie Mörtelsteine in einer Polymermatrix angeordnet sind. Diese Hybridmaterialien vereinen die Festigkeit von Keramik und die Dehnbarkeit von Polymeren.
Im Jahr 2007 entwickelten Forscher der University of Michigan tonverstärkte Polymere, die extrem stark, aber spröde waren: Es braucht viel Energie, um sie zu verformen, aber wenn sie sich verformen, brechen sie abrupt. Forschern am MIT ist es gelungen, steife, aber weniger spröde Ton-Polymer-Verbundstoffe herzustellen, die eine gewisse Dehnung tolerieren, bevor sie brechen. (Siehe Ultra-Tough Nanotech Materials.)
Ludwig Gaukler , der Materialprofessor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in der Schweiz, der die neue Arbeit leitete, sagt, dass der Verbund seiner Gruppe noch besser ist. Es sei fünfmal so stark wie das Material des MIT, sagt er, und dennoch dehnbar. Eine Folie aus dem Verbund sei bereits so stark wie eine Aluminiumfolie, sagt Gauckler, aber wenn sie gedehnt werde, könne sie sich um bis zu 25 Prozent ihrer Größe ausdehnen; Aluminiumfolie würde bei 2 Prozent brechen.
Ein zusätzlicher Vorteil des Hybridmaterials ist, dass es leicht ist, sagt der Harvard-Materialwissenschaftler Andre Studart, der an der Arbeit beteiligt war. Das Material sei halb bis ein Viertel so schwer wie Stahl gleicher Festigkeit, sagt Studart, und es wäre ein guter Ersatz für Fiberglas, das häufig in Autoteilen verwendet wird. Da die Festigkeit des Materials von den durch es diffundierten Plättchen kommt, ist es laut Studart in zwei Richtungen stark und nicht nur in einer Richtung wie bei faserverstärktem Material.
Obwohl das Material jetzt durchscheinend ist, könnte seine Struktur modifiziert werden, um es transparent zu machen, was es für Dentalmaterialien und transparente elektronische Schaltungen geeignet macht.
Um ihr Material zusammenzusetzen, dispergieren die Forscher Aluminiumoxid-Plättchen in Ethanol und verteilen die Mischung über Wasser. Die Blutplättchen ordnen sich auf der Wasseroberfläche zu einer einzigen Schicht an. Dann tauchen die Forscher eine Glasplatte in die Lösung und übertragen die Plättchen auf das Glas. Schließlich scheiden sie eine Schicht des biokompatiblen Polymers Chitosan auf den Blutplättchen ab. Die Forscher wiederholen diesen Vorgang, bis die Dicke des endgültigen Verbunds einige zehn Mikrometer beträgt, und schälen dann das Material mit einer Rasierklinge von der Glasplatte.
Bei der Entwicklung des Materials untersuchten die Forscher sorgfältig die mechanische Struktur von Perlmutt, der glänzenden Schicht im Inneren von Muscheln, und versuchten, diese zu verbessern. Perlmutt hat Plättchen aus Kalziumkarbonat, die in Schichten in einem proteinbasierten Polymer angeordnet sind. Die Größe dieser Thrombozyten sei etwas ganz Besonderes, sagt Studart. Perlmutt verwendet eine spezifische Plättchenlänge und -dicke, um die hohe Festigkeit und [Dehnbarkeit] zu erreichen, die Sie bei Metallen sehen.
Das Verhältnis zwischen Länge und Dicke der Plättchen muss stimmen, sagt Studart. Ist sie zu hoch, brechen die Plättchen beim Strecken des Materials. Ist sie zu niedrig, ist das Material nicht sehr steif.
Die Forscher entschieden sich für die Arbeit mit Aluminiumoxid-Plättchen, die fünfmal so stark sind wie die in Perlmutt gefundenen Kalziumkarbonat-Plättchen. Sie machten auch ihre Blutplättchen dünner – etwa 200 Nanometer im Vergleich zu den 500 bis 1.000 Nanometern der natürlich vorkommenden Blutplättchen –, um die Wahrscheinlichkeit von Fehlern in ihrer Struktur zu verringern. Das beste durchschnittliche Länge-zu-Dicke-Verhältnis, berechneten die Forscher, beträgt 40, also machten sie die Blutplättchen 5 bis 10 Mikrometer lang. Stärkere Blutplättchen ermöglichen es uns, ein höheres Verhältnis zu verwenden und daher im Vergleich zu Schalen eine höhere Festigkeit mit einer geringeren Konzentration an Blutplättchen zu erreichen, sagt Studart. Niedrige Konzentrationen seien wichtig, sagt er, denn das bedeutet, dass der Verbund mehr Polymer hat und viel [Dehnbarkeit] hat.
Dies ist der nächste, der die mechanische Struktur und das Verhalten eines natürlichen Materials nachbilden konnte, sagt Francois Barthelat , Professor für Maschinenbau und Forscher für biomimetische Materialien an der McGill University in Montreal, Quebec. Doch bevor das Material verwendet werden kann, müssen die Forscher einen schnelleren Weg entwickeln, um es in größeren Mengen herzustellen.
Chemieprofessor an der Princeton University Ilhan Aksay ist der Ansicht, dass die Technik leicht zu modifizieren sein sollte, damit sie für die Massenfertigung geeignet ist. Mit dieser Technik könne man große Formen herstellen, sagt er. Er stellt sich vor, dass das Material für Knochen- und Zahnimplantate nützlich sein könnte.
Gauckler sagt, dass das Material viele Verbesserungen braucht, bevor es praktisch verwendet werden kann. Ein besseres Polymer würde den Verbund stärker machen. Außerdem müssen die Forscher einen Weg finden, eine bessere Verbindung zwischen Aluminiumoxid und Polymer herzustellen. Im Moment, sagt Gauckler, haben wir gezeigt, dass wir [nahezu] einen Job machen können wie die Natur.