Unsinkbares Metall dank Nanostruktur und Doppelschicht
Forscher an der University of Rochester haben ein unsinkbares Metall erzeugt. Die Inspiration dafür liefert die Natur. Eine Wasserspinne webt ein fein gesponnenes Netz, welches ihr Auftrieb gibt. Wie sich das Naturphänomen auf die Metallentwicklung überträgt, lesen Sie hier.
Mit unsinkbarem Metall würde sich das Unglück der Titanic jedenfalls nicht wiederholen.
Foto: panthermedia.net/Elenarts
Metalle sind eigentlich deutlich schwerer als Wasser und versinken aus diesem Grund recht schnell. Soll ein Metall auf dem Wasser schwimmen und nicht untergehen, muss es zu einem mit Luft gefüllten Hohlraum geformt werden. Dieses aufwendige und teure Verfahren kommt bei dem Rumpf von Schiffen oder U-Booten zum Einsatz. Alternativ muss das schwimmende Metall mit einem Auftriebskörper versehen werden. Dieses Verfahren kommt unter anderem bei schwimmenden Bojen zum Einsatz.
Wasserspinnen nutzen Nanostruktur
Als Alternative zu all diesen gängigen Verfahren gibt es ein „Patent“, welches in der Natur zum Einsatz kommt. Wasserspinnen, Wasserläufer und Feuerameisen nutzen spezielle Nanostrukturen. Durch diese werden die Körperflächen oder Füße der Tiere extrem wasserabweisend. Die speziellen Nanostrukturen verhindern zuverlässig eine Benetzung mit Wasser und sorgen für eine dünne sowie auftriebsfördernde Luftschicht zwischen dem Körper und der Wasseroberfläche.
US-amerikanische Forscher haben sich das natürliche Patent zu Nutze gemacht und ein unsinkbares Metall entwickelt. Durch eine spezielle Nanostruktur, die per Laser eingraviert wird, und einen besonderen, zweischichtigen Aufbau, entsteht ein „unkaputtbarer“ Auftrieb. Dieser könnte in Zukunft für Bojen, schwimmende Sensoren und Schiffe eingesetzt werden.
Argyroneta aquatica spinnt smartes Netz als Vorlage
Die Wasserspinne Argyroneta aquatica spinnt ein besonders feines Netz und dieses fungiert als eine Art von „Taucherglocke“. Die superhydrophoben Netzfäden der Wasserspinne erzeugen durch die automatisch eingefangene Luft einen starken Auftrieb. Dieses bewährte Prinzip konnten die Wissenschaftler erfolgreich auf Metalle übertragen. Die superhydrophoben Materialien fangen die Luft automatisch in ihren komplexen Oberflächen ein und erhalten dadurch besonders wasserabweisende Eigenschaften. Durch die unzähligen Luftblasen bleibt das Wasser nicht mehr „kleben“ und sämtliche Wassertropfen verschwinden sofort wieder.
Bereits vor mehreren Jahren haben die Forscher der Universität von Rochester ähnliche Strukturen durch Lasergravur erstellt und mit diesen verschiedene Metalle wasserabweisend gemacht. Die Oberflächen wurden dadurch zwar beständiger gegen eine Korrosion, der Auftrieb war aber stets zu schwach, sodass die Metallobjekte schwimmen konnten. Die US-Forscher entwickelten die bisherige Technik konsequent weiter, sodass ein unsinkbares Metall hergestellt werden kann.
Als Erstes nutzten die Wissenschaftler die Lasergravur, um die Oberfläche der Metalle so wasserabweisend als möglich zu machen. Sie ätzten mit ultraschnellen Laserimpulsen nano- und mikroartige Muster auf die verwendeten Oberflächen. Durch dieses Verfahren werden automatisch große Luftmengen in die Materialien eingeschlossen. Im Gegensatz zu früheren Versuchen verbauten die Forscher die Metalloberfläche nicht mehr so, sodass sie nach außen zeigte. Das Problem in der Vergangenheit: Durch die starke Reibung im Wasser nutzen sich die komplexen Oberflächen ab und verlieren mit der Zeit ihre Wirksamkeit. Deshalb kombinierten die Wissenschaftler stattdessen 2 gravierte Bleche aus Metall zu einer Art Sandwich und bei diesen zeigen die Nanostrukturen nach innen. Die beiden behandelten Oberflächen sind ausschließlich durch einen kleinen Pfosten in der Mitte miteinander verbunden.
Ein unsinkbares Metall trotz Belastungen
Der besondere Clou dabei: Zwischen den beiden Metallblechen befindet sich ein äußerst geringer Abstand und dieser wurde von den Wissenschaftlern sorgfältig gewählt. Die Nanostrukturen können dadurch das Wasser optimal verdrängen und es bildet sich ein schmaler mit Luft gefüllter Hohlraum. Durch die vorhandene Luft entsteht ein unsinkbares Metall. Die Luft lässt sich aufgrund der besonderen, superhydrophoben Wirkung der verwendeten Nanostrukturen kaum verdrängen. Selbst nach dem vollständigen Untertauchen des Metalls bleibt der mit Luft gefüllte Hohlraum bestehen. Die Wissenschaftler schwärmen von ihrer Arbeit: Die Nanostrukturen verfügen über eine beispiellose Schwimmfähigkeit und steigen sogar wieder an die Wasseroberfläche, wenn sie über Monate unter Wasser getaucht wurden. Selbst Löcher im Metall oder größere Schäden in der Nanostruktur stellen kein Problem dar und mindern den Wasserauftrieb kaum, denn der mit Luft gefüllte Hohlraum bleibt bestehen. Laut den Wissenschaftlern ist das Endergebnis so gut wie unsinkbar. Um diese Aussage zu überprüfen wurden die Oberflächen 2 Monate lang mit Hilfe einer starken Belastung unter Wasser getaucht. Danach entfernten die Forscher die Belastung und schon sprangen die Strukturen automatisch an die Wasseroberfläche. Sogar Beschädigungen in Form von Löchern ließen die Oberflächen nicht sinken: Die Wissenschaftler bohrten jeweils 6 Löcher mit 3 und 6 Millimeter Durchmesser in die Strukturen, dennoch blieben diese über Wasser. Die Arbeiten wurden von Forschern der Universität in Rochester und Wissenschaftlern des chinesischen „Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics, and Physics“ durchgeführt.
Mehrwert für Sensoren, Bojen und Schiffe
Die spezielle Technik funktioniert bei jeder Art von Metall. Aus diesem Grund sind sich die Forscher sicher, dass es für ein unsinkbares Metall viele unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten geben wird. Die Wissenschaftler können sich vorstellen, dass die superhydrophobe Metallstruktur unter anderem bei vielen unterschiedlichen Wasserfahrzeugen, Schwimmhilfen und zum Schutz von elektronischen Ausrüstungen eingesetzt werden kann. Besonders praktisch wäre ein Einsatz bei den schwimmenden Elektronik-Sensoren: Die wasserabweisende Hülle hält das Wasser von der empfindlichen Elektronik fern und macht so eine zusätzliche Schwimmhilfe überflüssig. Wird ein unsinkbares Metall verwendet, könnten Schiffe, Flotationsanlagen und elektronische Überwachungseinrichtungen über einen längeren Zeitraum unter Wasser funktionieren und würden einige Schäden aushalten.
Materialien mit Hightech-Perspektiven gibt es in 2019 einige, darunter die Entwicklung Bayreuther Forscher. Sie haben ein neuartiges und vielversprechendes Material, das metallisch leitfähig und superhart ist, entwickelt.
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