Möglichst leicht und zugleich möglichst stabil müssen moderne Leichtbau-Werkstoffe sein. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) und der Technischen Universität Hamburg (TUHH) hat ein neues Bauprinzip für künftige Ultraleicht-Materialien entwickelt: Nanometerkleine Metallstreben, die auf separaten Hierarchieebenen ineinander geschachtelte Netzwerke bilden, sorgen für eine erstaunliche Festigkeit. Die Arbeitsgruppe stellt ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Science“ vor.

Seit einigen Jahren schon versucht die Materialforschung das hierarchische Baukonzept, das beispielsweise den Eiffelturm auszeichnet, auf das Gefüge, den inneren Aufbau von Materialien, zu übertragen – etwa mit 3D-Druckern, die Fachwerke im Mikrometer-Maßstab herstellen können. Doch die additive Fertigung erwies sich hierfür als deutlich zu langsam.

Das Forscherteam ging deshalb einen neuen Weg: Ließen sich Streben mit einem Durchmesser im Nanometerbereich fertigen, könnten sie die Basis für eine neue Art von Werkstoffen bilden – Materialien, die extrem leicht und zugleich hochfest sind. Allerdings müssten solche Stoffe Billionen solcher Streben enthalten. Als Ausgangspunkt verwendete das Team eine Legierung aus 93 Prozent Silber und 7 Prozent Gold – für kommerzielle Werkstoffe viel zu teuer – doch es ging ersteinmal um das Prinzip.

„Deshalb müssen wir die Natur dazu bringen, in einem Akt der Selbstorganisation solche Materialien für uns herzustellen.“
Dr. Shan Shi, Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG)

Und die Grundlagenforschung hatte Erfolg. Nach zweimaliger Säurebehandlung war ein hierarchisch aufgebautes entstand – mit zwei höchst unterschiedlichen Strebengrößen, ähnlich wie beim Pariser Eiffelturm. Aufgrund der Strebenstruktur besteht der neue Stoff zu 80 bis 90 Prozent aus Luft, seine Dichte beträgt also nur 10 bis 20 Prozent des massiven Metalls.

„Dafür, dass das Material eine so niedrige Dichte besitzt, zeigte es außergewöhnlich hohe Werte für wichtige mechanische Kenngrößen wie Festigkeit und Elastizitätsmodul. Das Material ist viel fester als das, was bis jetzt Stand der Technik war.“
Jörg Weißmüller, Technischen Universität Hamburg (TUHH)

Umsetzung in industriellen Maßstab? Denkbar. Dann das neue HZG-Verfahren könnte auf andere, praxistauglichere Metalle – etwa auf Aluminium, Magnesium oder Titan – übertragen werden. Auch das Upscaling stellt eine weitere Herausforderung dar, aber es scheint durchaus machbar mit dem Verfahren auch Drähte oder sogar ganze Bleche herzustellen, zeigen sich die Forscher optimistisch.

Bild oben: Wissenschaftler haben jetzt das erste Mal nachgewiesen, dass ein hierarchisches Gefüge nicht nur für makroskopische Tragwerke wie den Eiffelturm vorteilhaft sein kann, sondern auch für leichte Netzwerkmaterialien. (Quelle: Jeremy Bishop | Unsplash)

Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung

Firmenland

Helmholtz-Zentrum hereon

Institut/Forschung

Zum Profil im Firmenland