Metallholz: Dünne Metallfolie nach Holzvorbild trägt das 50-fache ihres Gewichts

Bei der Suche nach Materialien mit einzigartigen Eigenschaften lohnt sich der Blick in die Natur jederzeit. Die Evolution hat etwa immer wieder Strukturen hervorgebracht, die durch extreme Stabilität bei minimalen Gewicht hervorstechen. Beispiele dafür sind etwa die Schalen von Meerestieren, aber auch Holz. Letzteres nahm sich ein Forscherteam zum Vorbild, um ein Metallmaterial zu konstruieren, dass auch als dünne Folie ein Vielfaches seines Eigengewichts tragen kann.

Metallholz: Material nach Holzvorbild

Die poröse Struktur von Holz in Kombination mit ligninverstärkten Zellwänden macht das Material extrem widerstandsfähig und versetzt es in der Lage, auch die Last von 100 Meter hohen Bäumen zu tragen.

So nahmen sich Forscher der University of Pennsylvania die Struktur von Holz etwa zum Vorbild, um ein Material zu konstruieren, dass auch als dünne Folie extrem widerstandsfähig ist. Das Material besteht aus regelmäßig angeordneten Nickelstreben im Nanomaßstab, die durch Hohlräume mit einer Größe von 500 bis 800 Nanometern voneinander getrennt sind. Die Porenstruktur ist dabei von der Struktur von Holz inspiriert, weshalb die Forscher Forscher das Material auch als „Metallholz“ bezeichnen.

Forscher ermöglichen größere Metallholz-Gebilde ohne Risse

Durch die besondere Struktur ist das Material sehr stabil. Ein Streifen von der Dicke einer handelsüblichen Aluminiumfolie etwa ist in der Lage, das 50-fache seines Eigengewichts zu tragen. Würde man ein Gewicht von unten an einen Bogen aus der Folie hängen, könnte diese etwa 3 Kilogramm tragen, bevor sie reißt.

Das Team der University of Pennsylvania hat nun eine Methode entwickelt, mit der Metallholz auch in größeren, dickeren Einheiten hergestellt werden kann, ohne dass es reißt. Dabei geht es speziell um sogenannte „invertierte Risse“, also Risse, bei denen ein Überschuss an Atomen herrscht, die das Material irgendwann auseinandertreiben. Im Falle des Metallholzes handelt es sich um überschüssige Nickel-Atome, die die Nanolücken füllen und so bereits vor dem Auftreten messbarer Risse die einzigartigen Eigenschaften des Materials zerstören. „Inverted cracks have been a problem since the first synthesis of similar materials in the late 1990s,” says Jiang. “Figuring out a simple way of eliminating them has been a long-standing hurdle in the field“, so Zhimin Jiang, der an dem Projekt beteiligt ist.

Einsatz auch in Sensoren

Das Material lässt sich nicht nur überall dort einsetzen, wo Eigenschaften wie geringes Gewicht und hohe Tragfähigkeit gefragt sind, sondern zum Beispiel auch in neuartigen Sensoren. Dank der Hohlräume im Nanomaßstab verfügt das Material nämlich auch über einzigartige optische Eigenschaften. Die Hohlräume haben die gleiche Größe wie die Wellenlängen des sichtbaren Lichts, sodass das Material Licht so reflektiert, das abhängig von dem Einfallwinkel der Lichtstrahlen bestimmte Farben verstärkt werden.

„Wir wollen aus diesen Materialien eine Reihe von zuvor unmöglichen Dingen herstellen, zusätzlich zu den Anwendungen, die wir schon nutzen: Membranen zur Trennung von Biomaterialien in der Krebsdiagnostik, schützenden Beschichtungen und flexiblen Sensoren“, erklären die Forscher.

via University of Pennsylvania