Nanoschwamm mit extremen Eigenschaften
12.03.2020Ein neues Verfahren vereinfacht die Herstellung von porösen Materialien mit definierter Nanostruktur und bringt sie einen Schritt näher an die Massenproduktion.
Materialien mit einer definierten Nanostruktur können überraschende Eigenschaften haben: Ein Beispiel sind leichte Keramikbauteile, welche sich wie ein Schwamm zusammendrücken lassen und anschliessend in ihre Ursprungsform zurückfedern. Dereinst könnten solche Materialien in hochempfindlichen Berührungssensoren oder neuartigen Batterien zur Anwendung kommen. Ein Team von Ingenieuren der ETH Zürich und vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, USA, hat nun einen neuen Herstellungsweg für solche Materialien entwickelt.
Bisher konnten solche Materialien nur Schicht für Schicht in aufwendigem 3D-Druck und nur in kleinen Mengen hergestellt werden. Mit der neuen Methode lassen sich die Materialien sehr viel einfacher produzieren. Die Wissenschaftler unter der Leitung von ETH-Professor Dennis Kochmann und Caltech-Materialforscherin Julia Greer vermengten dazu zwei flüssige Polymere zu einer fein verteilten Emulsion. Anschliessend liessen sie diese Polymere sich entmischen und härten und lösten eine der beiden Komponenten aus dem Material. Dadurch entstand ein Netz von feinsten labyrinthartigen Poren. Diesen porösen Körper beschichteten die Forscher mit Alumiumoxid. Schliesslich lösten sie auch die zweite Polymer-Komponente auf. Es entstand so ein Nanogeflecht von äusserst dünnen «Schalen» aus Alumiumoxid.
Ohne Ecken und Kanten
Mit dem neuen Verfahren schafften es die Forschenden erstmals, ein solches Material in der Grössenordnung von einem Kubikzentimeter herzustellen. «Früher war es nicht einmal in einem Monat möglich, soviel dieses Materials herzustellen wie wir es nun in wenigen Stunden können», sagt Carlos Portela, Postdoc am Caltech.
Wegen seiner besonderen Schalenstruktur ist das Material extrem leicht und dennoch extrem steif und fest. Dies hat damit zu tun, dass die Schalen keine Ecken oder Verbindungsstellen (und somit keine internen Schwachstellen) aufweisen. Wie Tests zeigten, ist das neue Material punkto Verhältnis von Festigkeit zu Dichte mit einigen Formen von Stahl vergleichbar. Und trotzdem lässt sich das Material ähnlich wie ein Schwamm zusammenpressen. Selbst nachwiederholter Kompression um 30 Prozent zeigte es nur marginale Schäden.
Als Nächstes plant das Team, den Prozess so zu optimieren, dass es die innere Materialstruktur bei der Herstellung genau kontrollieren kann. Ausserdem versuchen die Forschenden die Herstellung grösserer Mengen des Materials voranzutreiben.
Quelle: Newsredaktion, ETH Zürich
Originalpublikation: Portela CM, Vidyasagar A, Krödel S, Weissenbach T, Yee DW, Greer JR, Kochmann DM: Extreme mechanical resilience of self-assembled nanolabyrinthine materials. PNAS, 4. März 2020, doi: 10.1073/pnas.1916817117