19.03.2020

Nanoschwamm der Extreme

Neues Verfahren vereinfacht die Herstellung von porösen Materialien mit definierter Nanostruktur.

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 in Pasadena hat nun einen neuen Herstellungs­weg für solche Materialien entwickelt.

Abb.: Eine vergrößere Ansicht des Nano­schwamms: Die Poren haben einen...
Abb.: Eine vergrößere Ansicht des Nano­schwamms: Die Poren haben einen Durch­messer von rund einem hundertstel Milli­meter. Die Schalen, welche die Poren begrenzen, sind zehn bis zwanzig Nano­meter dick. (Bild: C. Portela, Caltech)

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 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.

Mit dem neuen Verfahren schafften es die Forscher 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 nach wieder­holter Kompression um dreißig 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 Forscher die Herstellung größerer Mengen des Materials voran­zutreiben.

ETHZ / JOL

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