Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) und der Technischen Universität Hamburg (TUHH) hat nun ein neues Bauprinzip für künftige Ultraleicht-Materialien entwickelt: Nanometerkleine Metallstreben, die auf separaten Hierarchieebenen ineinander geschachtelte Netzwerke bilden, sorgen für eine erstaunliche Festigkeit. Zunächst verwendeten die Forscher eine Legierung aus Gold und Silber, eine Anwendung für Aluminium, Titan und Magnesium ist aber in Zukunft denkbar. Die Arbeitsgruppe stellt ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Science“ vor.
Es war das Ziel, Materialien zu entwickeln, die extrem leicht und gleichzeitig hochfest sind. Solche Materialien müssten Billionen Streben enthalten – ein 3D-Drucker schafft das nicht. „Deshalb müssen wir die Natur dazu bringen, in einem Akt der Selbstorganisation solche Materialien für uns herzustellen“, erläutert Weißmüllers Kollegin Dr. Shan Shi, Erstautorin der Studie.
Das Forscherteam verwendete zunächst eine Legierung aus 93 Prozent Silber und 7 Prozent Gold, die sie in verdünnte Schwefelsäure tauchten. Dadurch löste sich etwa die Hälfte des Silbers heraus und das übrige Metall bildete ein fein verstrebtes Netzwerk. Dies erhitzten die Forscher auf einige hundert Grad. „Dadurch vergröberte sich das Netzwerk auf eine Strebengröße von durchschnittlich 150 Nanometern, wobei das ursprüngliche Bauprinzip erhalten blieb“, erläutert Shi.
Ein weiteres Säurebad wäscht dann das restliche Silber heraus und hinterlässt Poren, die im Durchschnitt 15 Nanometer groß sind. Das Team um Shi erreichte so ein Material mit zwei unterschiedlichen Strebengrößen, sodass es zu 80 bis 90 Prozent aus Luft besteht und seine Dichte nur 10 bis 20 Prozent des Metalls beträgt.
„Dafür, dass das Material eine so niedrige Dichte besitzt, zeigt es außergewöhnlich hohe Werte für wichtige mechanische Kenngrößen wie Festigkeit und Elastizitätsmodul“, freut sich Jörg Weißmüller. „Wir haben viel Masse herausgenommen und es blieb nur noch sehr wenig übrig, doch das Material ist viel fester als das, was bis jetzt Stand der Technik war.“ Damit sei das erste Mal nachgewiesen, dass ein hierarchisches Gefüge nicht nur für makroskopische Tragwerke wie den Eiffelturm vorteilhaft sein kann, sondern auch für leichte Netzwerkmaterialien.
Für eine Anwendung im Leichtbau ist das Material Gold zu teuer, zu schwer und zu weich, aber es ist denkbar, dass das Verfahren auch auf Aluminium, Titan oder Magnesium angewendet werden kann.