Materialforschung: Forscher verwandeln jahrhundertealte Theorie per 3D-Druck in Schwarzite

 20. November 2017  Andreas Krämer  

US-Forscher der Rice University haben mit Hilfe von 3D-Druckern s.g. Schwarzite hergestellt. Diese bisher nur aus Theorien bekannte Strukturen haben einige sehr interessante Eigenschaften, die für das Bauwesen aber auch die Automobil- und Luftfahrtindustrie von Interesse sein könnten.

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Logo Rice UniversityAls Schwarzites werden poröse Strukturen bezeichnet, die bisher als Theorie galten und jetzt dank eines Computerprogramms in Verbindung mit einem 3D-Drucker real wurden. Forscher der Rice Universität konnten Daten von den Programmen an ihren 3D-Drucker übermitteln und Polymermodelle in Makrogröße zu Testzwecken mit Erfolg fertigen. Die Proben der Forscher bestehen aus möglichst wenig Material, sind dennoch fest und besitzen eine Kompressibilität.

Wie es in dem Artikel von phys.org heißt, seien die beschriebenen Ergebnisse Kunstwerke, die in Zukunft zu Produkten wie elektronische Geräte, Katasylatoren, Batteriekomponenten oder Molekularsieben in Nanogröße werden könnten. Im Makrobereich könnten aus Schwarziten hochbelastbare, stoßfeste Bauteile für Gebäude, Autos und Flugzeuge werden. Eines Tages sei der 3D-Druck eines Gebäudes bestehend aus einem einzigen Ziegelstein realisierbar, so die Forscher.

Was sind Schwarzite?

Schwarzite aus dem 3D-Drucker
Schwarzite-Strukturen aus dem 3D-Drucker (Bild © Screenshot: 3D-grenzenlos; Videoquelle: Youtube/Rice University).

Die Schwarzite sind nach ihren Entdecker Hermann Schwarz benannt, der sie in den 1880er-Jahren vermutete und bezeichnete sie als „mathematische Wunder“. Sie haben zu einer beeindruckende Anzahl an organischen wie anorganischen Konstrukten und Materialien geführt, denen sie als Inspiration dienten. Die Entdeckung von Buckminsterfullerene bzw. „Buckyball“ bei Rice regte die Wissenschafter weiter an, das Design von 3D-Formen aus 2D-Oberflächen zu analysieren. Derartige Strukturen blieben graue Theorie, bis es mit 3D-Druckern möglich war, jetzt erstmals physisch herzustellen.

Im Rice-Labor des Werkstoffwissenschaftlers Pulickel Ajayan wurde in einem Team der Bottom-Up-Aufbau der Schwarzite mit Moleküldynamiksimulationen untersucht und stellten diese Simulationen als Polymerwürfel per 3D-Drucker her. Wie Chandra Sekhar Tiwary, Postdoktorandin an der Rice erklärte, seien die Geometrien sehr komplex, alles sei gekrümmt, die inneren Oberflächen hätten eine negative Krümmung und die Morphologien seien sehr interessant.

In einer früheren Studie von Tiwary wurde gezeigt, wie Muscheln weiche Körper vor Extremdruck schützen können, indem sie Stress in ihren Strukturen übertragen. Schwarzite-Strukturen seien sehr ähnlich. Die Fertigung der Geometrie mit Polymer resultierte in einem Material mit hoher Tragfähigkeit.

Schwarzite verfügen über exzellente Verformungseigenschaften. Unter Druck verformen sie sich langsam Schicht für Schicht. Wenn ein Gebäude aus diesem Material besteht und etwas darauf fallen sollte, dann bricht es langsam zusammen und alles was sich darin befindet, ist geschützt. Das Rice-Team beschränkte sich auf primitive und gyrodiale Strukturen, die Schwarz beschrieben hatte und periodische Minimalflächen aufweisen.

In Tests wurden beide Lasten über die gesamte Geometrie der Struktur übertragen, unabhängig davon welche Seite komprimiert wurde. Die Forscher planen in einem nächsten Schritt die Oberflächen der Schwarzite per 3D-Drucker mit höherer Auflösung zu verfeinern und die Polymermenge weiter zu reduzieren. Das Ziel sind Blöcke mit einem noch leichteren Gewicht. Keramische und metallische Materialien sollen demnächst zum 3D-Druck größerer Schwarzite verwendet werden. Mehr darüber auch in Zukunft in unserem kostenlosen 3D-Druck-Newsletter (hier anmelden).

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