06.06.2011

Hart oder weich - beides zugleich

Neues Nanomaterial ändert Festigkeit durch Anlegen einer Spannung.

Hart oder weich – beides zugleich

Neues Nanomaterial ändert Festigkeit durch Anlegen einer Spannung.

Wissenschaftlern vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht und dem Metallforschungsinstituts in Shenyang, China, gelang die Steuerung von Materialeigenschaften durch elektrische Signale. Durch Änderungen der Elektronenstruktur eines Materials konnten sie einen festen und spröden Stoff in einen weichen und formbaren umwandeln.

Abb.: Die poröse Goldstruktur (links) wird mit einer HClO4-Lösung gefüllt. Durch Anlegen einer Spannung bis 0,5V lädt sich die Oberfläche wie ein Kondensator auf (mitte). Bei höheren Spannungen lagern sich Anionen aus der Lösung an (rechts). (Bild: K. Sieradzki, Science)

Ingenieure müssen bei den mechanischen Eigenschaften eines Materials Kompromisse eingehen: So geht beispielsweise mit einer hohen Festigkeit zwangsläufig auch eine erhöhte Sprödigkeit und damit eine verringerte Schadenstoleranz einher. „Wir haben zum ersten Mal ein Material erzeugt, das beim Gebrauch zwischen den mechanischen Eigenschaften fest und spröde sowie weich und formbar hin- und herschalten kann“, so Jörg Weißmüller vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht und der TU Hamburg.

Zur Herstellung dieses Materials benutzten die Wissenschaftler einen vergleichsweise einfachen Vorgang. Die Metalle, in der Regel Edelmetalle wie Gold oder Platin, werden in eine säurehaltige Lösung gegeben. In Folge des einsetzenden Korrosionsprozesses bildet sich ein Netzwerk von Porenkanälen. In diesen Poren wird eine leitfähige Flüssigkeit eingebracht, zum Beispiel eine Kochsalzlösung oder eine verdünne Säure, wodurch ein Hybridmaterial aus Metall und Flüssigkeit entsteht. Da in der Flüssigkeit Ionen gelöst sind, können die Grenzflächen des Metalls elektrisch aufgeladen werden, wodurch sich auch dessen mechanische Eigenschaften ändern. Dahinter steht eine Modifikation, eine Stärkung oder Schwächung der atomaren Bindungen in der Oberfläche des Metalls als Folge des Einbaus zusätzlicher Elektronen. Bei Bedarf lässt sich so die Festigkeit des Materials verdoppeln oder aber ein weniger fester, dafür aber plastisch formbarer Zustand einstellen.

Prinzipiell kann das Material elektrische Signale auch selbstständig erzeugen, und so gezielt in Bereichen mit hoher Belastung eine lokale Verfestigung einstellen. Damit ließen sich Schädigungen durch Risse verhindern oder gar ausheilen.

HZG / KK

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