Verformbares Material aus Nanoteilchen erzeugt

Forschern ist es im Labor gelungen, einen Superkristall zu entwickeln, der zugleich hart wie Diamant und verformbar wie Metall ist: Werden Nanokomposite künftig auch als Strukturwerkstoffe die Technik bereichern können? 

×

Seit nunmehr acht Jahren fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft an der Technischen Universität Hamburg den Sonderforschungsbereich "Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme" (SFB 986). Ziel der beteiligten Wissenschaftler ist es, quasi am Reißbrett makroskopische, multiskalig strukturierte Werkstoffe und Bauteile zu entwickeln, die maßgeschneiderte mechanische, elektrische oder photonische Eigenschaften besitzen, sich jedoch mit klassischen Techniken nicht herstellen lassen. Jetzt berichtet ein internationales Forscherteam um Gerold Schneider, Leiter des Instituts für Keramische Hochleistungswerkstoffe an der TU Hamburg und Sprecher des SFB 986, in der Zeitschrift Science Advances über die Entwicklung eines verformbaren Materials aus Nanoteilchen, in dem sich diese Nanoteilchen wie Atome in einem dreidimensionalen, periodischen Gitter anordnen und mit Hilfe von ultradünnen Schichten aus Fettsäuren aneinanderhaften lassen. 

Da die Nanoteilchen des neuen Materials aus sehr hartem Eisenoxid und die Verbindungsschicht aus flüssiger Ölsäure bestehen, so die Wissenschaftler, sei der Superkristall sehr hart, gleichzeitig gut verformbar und noch dazu vollkommen umweltverträglich - sei also beispielsweise perfekt geeignet für stark beanspruchte Oberflächen. "Plastische Verformungen von Materialien wie Kupfer, Aluminium oder Stahl sind in der Forschung längst bekannt. Dass sich dieses mechanische Verhalten auch auf hochfeste Superkristalle übertragen lässt, ist völlig neu", sagt Diletta Giuntini, Wissenschaftliche Mitarbeiterin der TU Hamburg und mittlerweile Assistant Professor an der Technischen Universität Eindhoven. "Im Rahmen unserer Arbeit haben wir wertvolles Wissen darüber gewonnen, wie wir die mechanischen Eigenschaften und die Verformbarkeit von Superkristallen kontrollieren können. Im nächsten Schritt wollen wir deren einzelne Bestandteile noch feiner aufeinander abstimmen und für ihren vielfältigen Materialeinsatz perfektionieren", so die Erstautorin der Studie.

Im Buchkapitel "Atome in neuen Positionen" berichtet Christopher J. Preston, dass der Physiker Richard Feynman schon 1959 eine Vision für die Nanotechnologie entwickelte, die weit über die einfache Entdeckung nützlicher Materialeigenschaften hinausging. Er prophezeite den Menschen eine große Zukunft, in der man Atome und Moleküle mit speziell entwickelten Werkzeugen in eine sorgfältig vorherbestimmte Anordnung bringen könne – Atome als Baumaterial für neue Werkstoffe. Ein halbes Jahrhundert später nimmt diese Vision nach und nach Gestalt an: Nanopartikel, Nanofasern, Nanoröhren, Nanokomposite sind inzwischen selbstverständlicher Gegenstand von Werkstoffforschung und Materialentwicklung, wie etwa die Autoren Kummerlöwe, Endres und Susoff im Buchkapitel "Synthese von Makromolekülen, Polyreaktionen" feststellen.

Robuste superkristalline Nanokomposite

Nanostrukturierte Verbundwerkstoffe sind ein schnell wachsender Bereich der Materialwissenschaft und -technik, so die Autoren um Gerold Schneider in "Science Advances". Superkristalline Materialien wiederum seien eine Unterkategorie der nanostrukturierten Verbundwerkstoffe, die sich durch eine besondere Architektur auszeichne: Die konstituierenden anorganischen Nanobausteine – typischerweise mit einem organischen Liganden oberflächenfunktionalisiert – seien in periodischen Strukturen angeordnet, die an kristalline Gitter erinnerten und oft als Supergitter bezeichnet würden. Ähnliche oder analoge Materialien seien in der Literatur auch unter dem Namen Suprakristalle oder unter der breiteren Kategorie der Mesokristalle zu finden. 

Die Forscher des SFB 986 fanden heraus, dass die klassischen Theorien für kristalline Werkstoffe auch das Verhalten von superkristallinen Nanokompositen gut beschreiben: Bei Defekten und mechanischen Verformungsmechanismen weisen superkristalline anorganisch-organische Nanokomposite keine Unterschiede zu atomaren Kristallen auf. Die dort bekannten charakteristischen Merkmale der Plastizität zeigten sich sowohl in Materialien mit als auch ohne Vernetzung der organischen Phase.

×