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Forscher aus Karlsruhe entwickeln weltweit kleinstes 3-D-Nanofachwerk

Nanotechnologie ist ein Feld der Wissenschaft, dass enormes Potential birgt. Ob in der Medizin oder in den Materialwissenschaften: Nanostrukturen bieten neue Lösungswege, die mit herkömmlichen Mitteln nicht begehbar wären. Ein Team von Wissenschaftlern des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelten nun das kleinste je von Menschen gemachte Fachwerk. Die Nanostruktur kann erstaunlich großem Druck widerstehen.

Foto: Jens Bauer / KIT

Foto: Jens Bauer / KIT

Leichtbauwerkstoff aus Kohlenstoff

Das Nano-Fachwerk hat Strebenlängen von unter einem Mikrometer und einen Strebendurchmessern von 200 Nanometern. Die einzelnen Bauteile sind aus glasartigem Kohlenstoff und sind um den Faktor 5 kleiner als die Teile vergleichbarer Materialien. Es handelt sich um ein sogenannten Metamaterial, also einen Stoff, dessen Struktur im Größenbereich von Mikrometern so hergestellt wird, dass er gewollte mechanische oder optische Eigenschaften besitzt, die unstrukturierte Feststoffe prinzipiell nicht erreichen können. Beispiele für Metamaterialien sind Tarnkappen oder Leichtbauwerkstoffe.

Um einen solchen Leichtbauwerkstoff handelt es sich bei dem Material des KIT. “Leichtbau-Werkstoffe wie Knochen und Holz findet man überall in der Natur. Sie vereinen hohe Tragkraft und kleines Gewicht und sind so ein Vorbild für mechanische Metamaterialien für technische Anwendungen”, so Dr.–Ing. Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie, Erstautor der Studie.

Um das Fachwerk zu konstruieren nutzte Bauer eine Technik namens 3-D-Laserlithografie, bei der Laserstrahlen durch einen Computer gesteuert die gewünschte Struktur in einem Photolack aushärten. Allerdings ist es so lediglich möglich, Streben von etwa 5–10 Mikrometer Länge und einem Mikrometer Durchmesser zu erstellen. Also musste die Struktur verkleinert werden. Dies erreichte Bauer durch Pyrolyse. Das Fachwerk wird in einem Vakuum-Ofen auf rund 900 Grad erhitzt, was zu einer Neuorientierung der chemischen Bindungen führt. Dabei entweichen bis auf den Kohlenstoff alle Elemente dem Lack, was zu einem Schrumpfen der Struktur führt.

Nanomaterial mit hoher Stabilität

Beeindruckend ist an der Struktur vor allem ihre Stabilität. Sie kann einem Druck von etwa 1,2 Milliarden Newton pro Quadratmeter widerstehen, was etwa dem Zwölftausendfachen des atmosphärischen Druck auf Meereshöhe entspricht. “Die Ergebnisse zeigen, dass die Belastbarkeit des Fachwerks sehr nahe an der theoretisch Möglichen und weit über der von unstrukturiertem glasartigem Kohlenstoff liegt. Diamant ist noch der einzige Feststoff, der eine höhere spezifische Stabilität aufweist”, so Prof. Oliver Kraft, Mitautor der Studie.

Neben seiner hohen Festigkeit ist das Fachwerk auch noch extrem leitfähig. Mögliche Anwendungen sind im Bereich Elektroden, Filter oder optische Bauteile.

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