Superstabiles Fachwerk im Mikroformat
Stabiler als Stahl und dabei von geringerer Dichte als Wasser soll das Leichtbaumaterial sein, das Karlsruher Wissenschaftler im Labor entwickelt haben. Es könnte in Dämmungen oder Stoßdämpfern Anwendung finden.
Die Strukturen von Fachwerkhäusern oder Bienenwaben dienten als Vorbild für die Karlsruher Forscher.
Foto: dpa/Hartmut Reeh
Die neuen Leichtbaumaterialien ähneln dem Gerüst eines Fachwerkhauses mit waagerechten, senkrechten und diagonalen Streben. Sie sind laut Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die stabilste bisher entwickelte Mikrostruktur sein. Dabei sind die einzelnen „Balken“ im Fachwerk kaum größer als zehn Mikrometer. Insgesamt sind die Leichtbauteile etwa 50 Mikrometer lang, breit und hoch.
„Auch die Natur setzt zum Tragen von Gewichten auf offenporige, nicht-massive Strukturen“, erklärt Bauers Kollege Oliver Kraft. Beispiele dafür sind Holz und Knochen. Das neue Material aus dem Labor soll aber bei gleicher Dichte mehr Druckbelastung aushalten.
Polymere und Keramik kombiniert
Als besonders stabil erwies sich eine Schalenstruktur, die dem Aufbau von Bienenwaben mit leicht gekrümmten Wänden ähnelt. Sie gab nach Angaben der Wissenschaftler erst bei einem Druck von 28 Kilogramm pro Quadratmillimeter nach. Damit sei das Verhältnis von Dichte und Belastbarkeit besser als bei massivem Stahl.
Die Mikroarchitektur für die stabilen Leichtbaumaterialien.
Quelle: KIT
Die Leichtbau-Strukturen bestehen aus einem Keramik-Polymer-Verbund. Polymere sind aufgrund ihrer Kettenmoleküle besonders belastbar, der keramische Anteil sorgt unter anderem für Hitzebeständigkeit, Abriebfestigkeit und eine starke elektrische Abschirmung. Um den Verbundwerkstoff herzustellen, wurde die 3D-Laserlithographie genutzt. Laserstrahlen härten dabei die mikrometergroße Struktur in einem Fotolack aus. Anschließend folgt die Keramikbeschichtung. Mit einer Art Stempel testeten die Forscher schließlich die Stabilität.
Funktion als Stoßdämpfer
Mikrostrukturierte Materialien wie die in Karlsruhe entwickelten dienen oft zur Dämmung oder als Stoßdämpfer. Letzteres ist eine Funktion, die die superfeinen Strukturen auch in menschlichen Knochen erfüllen: Erst vor wenigen Jahren entdeckten kalifornische Forscher fadenähnliche Verbindungen in den Knochen, die sich bei Belastung ausdehnen und so die Knochen vor Bruch schützen.
Offenporige Werkstoffe auf dieser Basis können auch als Filter in der chemischen Industrie genutzt werden. Die Leichtbau-Technik mit mikroskopisch kleinen Strukturen kann dabei helfen, Material und damit Kosten zu sparen.
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