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11.08.2017 | Mechanik | Im Fokus | Onlineartikel

Goldpartikel können sich selbst heilen

Autor:
Dieter Beste

Bei reinen Metallen galten Selbstheilungskräfte, die mechanisch verursachte Schäden reparieren, bislang als unmöglich. Überraschend stellte sich jetzt heraus, dass Gold über ein Formgedächtnis verfügt.

Selbstheilende Materialien können Schäden wie Kratzer, Risse oder Dellen selbstständig reparieren oder eine ursprüngliche Gestalt wieder annehmen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Technion - Israel Institute of Technology haben jetzt entdeckt, dass winzige Partikel aus reinem Gold über erstaunliche Selbstheilungsfähigkeiten verfügen. Die vielgestaltigen Partikel nahmen im Labor nahezu vollständig ihre individuelle ursprüngliche Form wieder an. „Das Faszinierendste dabei ist, dass die wiederhergestellten Partikelformen nicht der mit der geringsten Oberflächenenergie entsprachen, was zu erwarten gewesen wäre“, sagt Christian Brandl vom KIT-Institut für Angewandte Materialien - Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM).

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Zunächst in Simulationen in Hochleistungsrechnern und dann real mit der Messspitze eines Rasterkraftmikroskops hatten die Forscher den Partikeln mechanische Schäden beigebracht. Daraufhin stellten sie fest, dass sich durch Ausglühen bei Temperaturen weit unterhalb der Schmelztemperatur die Goldatome entlang von Oberflächenstufen zurück in die Dellen bewegten und diese fast vollständig wieder auffüllten. Solche Oberflächenstufen treten in vielen verformten Metallen auf. Deshalb rechnet Brandl damit, dass auch andere Metalle über die beobachteten Selbstheilungseigenschaften verfügen. Die Forscher rechnen damit, dass mithilfe ihrer Ergebnisse, robuste Bauteile für Strukturen kleiner als ein tausendstel Millimeter konstruiert werden können.

Formgedächtnis in Nickel-Titan-Legierungen

Eine Selbstheilung beziehungsweise ein Formgedächtnis von reinen Metallen war bislang gänzlich unbekannt. Entsprechende Materialien bestehen immer aus mehreren Komponenten. Von besonderer Bedeutung sind dabei die Formgedächtnislegierungen, die meist aus Nickel und Titan bestehen. Bei diesen Legierungen kann es zu einer reversiblen Phasenumwandlung kommen, die von den Springer-Autoren Joachim Rösler, Harald Harders und Martin Bäker in "Mechanisches Verhalten der Werkstoffe“ auf Seite 226 so beschrieben wird: Eine typische Formgedächtnislegierung liegt zunächst in einer austenitischen Phase vor. Dehnt man den Werkstoff, so wandelt sich diese austenitische Phase in eine martensitische Phase um, die so orientiert ist, dass sich eine Längenänderung in Belastungsrichtung ergibt. Bei einer Entlastung bildet sich wieder die austenitische Phase, da diese thermodynamisch stabil ist. Damit ist es möglich, reversible Formänderungen durchzuführen, bei denen sogenannte pseudoelastische Dehnungen (oft auch als superelastische Dehnungen bezeichnet) von mehreren Prozent auftreten können, während echte elastische Dehnungen in Metallen deutlich geringer sind.“ Ein besonderer Vorteil der Formgedächtnislegierungen sei, dass die Spannung im Bereich der Pseudoelastizität nahezu unabhängig von der Dehnung ist, so die Springer-Autoren und diskutieren im Weiteren Anwendungsbeispiele aus der Medizintechnik wie Zahnspangen oder Stents.

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