Nature Materials: Weltweit kleinstes Fachwerk vorgestellt

Glasartiger Kohlenstoff: höhere spezifische Festigkeit als andere Feststoffe

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Das kleinste von Menschen gemachte Fachwerk haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in der Fachzeitschrift Nature Materials vorgestellt. Mit Strebenlängen von unter einem Mikrometer und Strebendurchmessern von 200 Nanometern sind seine Bauteile aus glasartigem Kohlenstoff rund einen Faktor fünf kleiner als vergleichbare sogenannte Metamaterialien. Durch die kleine Dimension werden bisher unerreichte Verhältnisse von Festigkeit zu Dichte erzielt. Anwendungen als Elektroden, Filter oder optische Bauteile könnten möglich werden(DOI: 10.1038/nmat4561).
Dr.-Ing. Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie, Erstautor der Studie, erklärte, dass Leichtbau-Werkstoffe wie Knochen und Holz überall in der Natur zu finden seien. Sie vereinten hohe Tragkraft und kleines Gewicht und seien so ein Vorbild für mechanische Metamaterialien für technische Anwendungen. Metamaterialien sind Stoffe, deren Struktur im Größenbereich von Mikrometern (millionstel Meter) gezielt so geplant und hergestellt werden, dass sie mechanische oder etwa optische Eigenschaften besitzen, die unstrukturierte Feststoffe prinzipiell nicht erreichen können. Beispiele sind Tarnkappen, die Licht, Schall oder Wärme um Objekte herumleiten, Materialien, die kontra-intuitiv auf Druck und Scherung reagieren (auxetisch) oder Leichtbau-Nanowerkstoffe, die hohe spezifische Stabilität aufweisen (Kraft pro Fläche und Dichte).
Für das nun vorgestellte stabile Fachwerk mit den weltweit kleinsten Strukturen nutzte Bauer zunächst die bewährte 3-D-Laserlithografie. Laserstrahlen härten computergesteuert die gewünschte mikrometergroße Struktur in einem Photolack aus. Die Auflösung des Verfahrens erlaubt es allerdings nur, Streben von rund 5-10 Mikrometer Länge und einem Mikrometer Durchmesser zu erstellen. Im anschließenden Schritt wird die Struktur mittels Pyrolyse geschrumpft und verglast. Damit wird erstmals bei der Herstellung mikrostrukturierte Fachwerke Pyrolyse genutzt: Das Objekt wird in einem Vakuum-Ofen Temperaturen von rund 900 Grad Celsius ausgesetzt, wodurch die chemischen Bindungen sich neuorientieren. Dabei entweichen alle Elemente aus dem Lack außer dem Kohlenstoff, welcher in seiner ungeordneten Form als Glaskohlenstoff in der geschrumpften Fachwerkstruktur zurückbleibt. Die gewonnenen Strukturen setzen die Forscher mit einem Stempel unter Druck und testeten so ihre Stabilität.
Für Prof. Oliver Kraft, Mitautor der Studie, zeigen die Ergebnisse, dass die Belastbarkeit des Fachwerks sehr nahe an der theoretisch möglichen und weit über der von unstrukturiertem, glasartigen Kohlenstoff liege. Diamant sei noch der einzige Feststoff, der eine höhere spezifische Stabilität aufweise.