Weltweit kleinstes Fachwerk

Forscher des KIT haben in der Fachzeitschrift Nature Materials das weltweit kleinste Fachwerk 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 Metamaterialien. Durch die kleine Dimension werden völlig neue Verhältnisse von Festigkeit zu Dichte erzielt. Anwendungen als Elektroden, Filter oder optische Bauteile wären möglich.

02. März 2016

„Leichtbau-Werkstoffe wie Knochen und Holz findet man überall in der Natur“, erklärt Dr. Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie, Erstautor der Studie. „Sie vereinen hohe Tragkraft und kleines Gewicht und sind so ein Vorbild für mechanische Metamaterialien für technische Anwendungen.“

Metamaterialien sind Stoffe, deren Struktur im Größenbereich von Mikrometern so geplant und hergestellt werden, dass sie mechanische oder optische Eigenschaften besitzen, die unstrukturierte Feststoffe prinzipiell nicht erreichen können. Beispiele sind Tarnkappen, die Licht, Schall oder Wärme um Objekte herum leiten, Materialien, die kontra-intuitiv auf Druck und Scherung reagieren oder Leichtbau-Nanowerkstoffe, die hohe spezifische Stabilität aufweisen.

3D-Laserlithografie

Für das stabile Fachwerk mit den weltweit kleinsten Strukturen nutzte Bauer zunächst 3D-Laserlithografie. Laserstrahlen härten computergesteuert die gewünschte mikrometergroße Struktur in einem Photolack aus. Die Auflösung des Verfahrens erlaubt es allerdings nur, Streben von rund fünf bis zehn 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 mikrostrukturierter Fachwerke Pyrolyse genutzt: Das Objekt wird in einem Vakuum-Ofen Temperaturen von rund 900 Grad Celsius ausgesetzt, wodurch die chemischen Bindungen sich neu orientieren.

 

Hohe spezifische Stabilität

Dabei entweichen alle Elemente aus dem Lack außer dem Kohlenstoff, der in seiner ungeordneten Form als Glaskohlenstoff in der geschrumpften Fachwerkstruktur zurückbleibt. Die gewonnenen Strukturen setzten die Forscher mit einem Stempel unter Druck und testeten so ihre Stabilität.

„Die Ergebnisse zeigen, dass die Belastbarkeit des Fachwerks sehr nahe an der theoretisch Möglichen und weit über der von unstrukturiertem glasartigem Kohlenstoff liegt“, berichtet Prof. Oliver Kraft, Mitautor der Studie. Er war bis Ende letzten Jahres Leiter des Instituts für Angewandte Materialien des KIT und ist seit diesem Jahr Vizepräsident für Forschung des KIT. „Diamant ist der einzige Feststoff, der eine höhere spezifische Stabilität aufweist.“

Mikrostrukturierte Materialien dienen oft zur Isolation oder als Stoßdämpfer. Offenporige Stoffe können als Filter in der chemischen Industrie genutzt werden. Metamaterialien haben auch außergewöhnliche optische Eigenschaften, die in der Telekomunikation eingesetzt werden können. Glaskohlenstoff ist ein Werkstoff aus reinem Kohlenstoff, der glasartige keramische Eigenschaften mit denen des Graphits vereint. Er ist als Werkstoff in Elektroden interessant.