Forschungen: Forschung: „Leichter als Wasser, stärker als Stahl“ – Superleichtes Material entwickelt

Die Entwicklungen im 3D-Druck kommen mittlerweile aus allen Teilen der Welt. Während die Anwenderzahlen für 3D-Drucker in Deutschland aber erst jetzt allmählich beginnen steigen, sind deutsche Forschungsunternehmen im 3D-Druck anderen Ländern bereits einige Schritte voraus. In Kooperation des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und einem regionalen Unternehmen, wurde jetzt ein Material entwickelt, dass leichter ist als Wasser und stärker als Stahl. Möglich machte die Entdeckung mitunter die Entwicklungen der 3D-Drucker.

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Logo Karlsruher Institut für TechnologieDas Karlsruher Institut für Technologie (KIT), rund um das Team von PhD Student in Maschinenbau Jens Bauer, haben in einem Verfahren ein knochenähnliches Material nachgewiesen, dessen Gewicht geringer ist als Wasser aber stärker als Stahl. Auf theconservation.com sagt Bauer, „es handle sich um den ersten experimentellen Nachweis, dass solche Materialien existieren“. Der Forschungsbericht ist nun im PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, mit dem Titel „High-strength cellular ceramic composites with 3D microarchitecture“ erschienen.

Im Rahmen der Materialforschung wird immer wieder nach neue Materialien gesucht, die sich zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt einsetzen lassen können. Im Normalfall verhalten sich Dichte, Gewicht und Stärke von Materialien proportinal, d.h. je stärker ein Material, desto schwerer ist es. Es gibt aber auch Ausnahmen. Zum Beispiel Knochen. Sie sind relativ leicht und dennoch sehr stabil. Das nun entdeckte superleichte Material ähnelt daher der inneren Struktur eines Knochens.

Ashby Chart
Der Ashby Chart zeigt, alle bekannten Materialien lassen sich in einem Diagramm darstellen. Jede Linie bedeutet die Stärke und Dichte des Materials mal zehn (Bild © // Jens Bauer/PNAS auf theconversation.com).

Die beeindruckenden Eigenschaften des neu entdeckten Materials von Jens Bauer und seinem Team lassen sich sehr gut aus dem Ashby Chart ablesen. Die Linie in der Mitte bei 1000kg/m3 kennzeichnet die Dichte von Wasser. Alle Materialien links dieser Linie sind leichter als Wasser. Alle Materialien rechts davon sind schwerer. Die mikroskopische Struktur der Materialien in der Mitte des Diagramms, Holz und Knochen, waren die Grundlage für Bauers Arbeit.

Seit vielen Jahren ist es die Theorie in der Wissenschaft, das auch für die noch weißen Flächen im Dichte-/Stärke-Diagramm Materialien existieren müssen. Bisher gab es aber keine geeigneten Werkzeuge um die unbekannten Materialien nachzuweisen. Die technischen Weiterentwicklungen der 3D-Drucker und Laserlithographie machen es erst heute möglich.

Entwicklungen der Laser und 3D-Drucker bringen den Durchbruch

Erst mit den aktuellen Entwicklungen im Bereich der Laserforschung und der 3D-Drucktechnologie wurde nun der Nachweis möglich. Das deutsche Unternehmen Nanoscribe GmbH aus Eggenstein-Leopoldshafen (Nähe Karlsruhe) ist spezialisiert auf Laser-Lithografie, die Herstellung dreidimensionaler Nano- und Mikrostrukturen und 3D-Laserlithografie. Genau diese technischen Möglichkeiten benötigten Bauer und sein Team für den Nachweis.

Mit der Technologie von nanoscribe allein, war es den Forschern des KTI allerdings noch nicht möglich das gewünschte Material zu schaffen. Daher reicherte Bauer und sein Forschungsteam das bis dahin entwickelte Material um eine dünne Schichte Aluminium an (große Stärke, sie Diagramm oben).

Ein Video zeigt ein Objekt, bestehend aus dem neuen Material, im so genannten Stresstest. Das Objekt wurde um 50 Nanometer (= 1 Billionstel) mit Aluminium angereichert und hält einen Druck von ungefähr 280MPa (Megapascal) stand. Es ist daher genauso stabil wie einige Arten von Stahl. Aber leichter als Wasser.

Trotz der Anreicherung des Materials um eine dünne Schicht Aluminium, ist das gesamte Konstrukt noch immer leichter als Wasser. Dieses Forschungsergebnis aus Deutschland, sorgt daher nicht ohne Grund für Aufsehen über die Grenzen Deutschlands hinweg. Einen kleinen Wermutstropfen gibt es jedoch: Nach bisherigem Stand der Technik ist es möglich nur sehr kleine Objekte herzustellen.

Zukünftig sollen Objekte dieser Art mit 3D-Druckern erstellt werden. Den aktuellen Entwicklungen und Forschungen im 3D-Druck aber auch neuen Polymeren und den Entwicklungen der Lasertechnologie ist es zu verdanken, dass derartige neue, superleichte Materialien entwickelt werden können, fügt Bauer hinzu und machen es möglich die Materialien gezielt in der Praxis einzusetzen.

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