MIT-Forscher designen eines der stärksten Leichtmaterialien der Welt

Video21. Jänner 2017, 12:00
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Spezielle 3D-Struktur verleiht Graphen bisher ungeahnte Stabilität und Zugfestigkeit bei äußerst geringer Dichte

Cambridge – Seit einigen Jahren weiß man, dass Kohlenstoffatome, die in einer bestimmten wabenförmigen Weise angeordnet sind, ein enorm widerstandsfähiges Material ergeben: Obwohl Graphen eigentlich nur eine Atomlage dünn ist, besitzt es die höchste je gemessene Zugfestigkeit. Das Problem ist allerdings, dass sich daraus nur schwer dreidimensionale Strukturen herstellen lassen, die halten, was das vielgelobte "Wundermaterial" verspricht.

Nun aber könnte einem Team vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge ein entscheidender Durchbruch gelungen sein. Die Forscher um Zhao Qin sind mithilfe mathematisch-physikalischer Modelle und Versuchen dahinter gekommen, dass die Anordnung von Graphenflocken nach einem ganz bestimmten Muster zu einer schaumartigen Struktur mit der Festigkeit des Ursprungsmaterials führt.

Mehr noch: Basierend auf Exerimenten mit 3D-Modellen zeigte sich, dass das neue Material wegen seiner speziellen Geometrie sogar Widerstandsfähiger als das flache Graphen selbst ist – und damit die Festigkeit von Stahl um das Zehnfache übertrifft, obwohl es nur fünf Prozent seiner Dichte besitzt. Für die Herstellung des Graphenschaums nutzen die Forscher 500 Graphenblättchen, die sie mit ebenso vielen kugelförmigen Platzhaltern unter Druck und Hitze zu einer porösen Struktur verbanden.

massachusetts institute of technology (mit)
Video: Die spezielle Geometrie verleiht dem neuen Material diese herausragende Festigkeit.

Die Geometrie ist der Schlüssel

Im Test erwies sich das Ergebnis als außerordentlich stabil: Es hielt Zugkräften von bis zu 2,7 Gigapascal stand, ohne zu zerreißen, und gab erst unter einem Druck von mehr als 0,6 Gigapascal nach. "Die Resultate beweisen, dass die entscheidenden Fähigkeiten unserer Struktur mehr von der geometrischen Konfiguration abhängt als von den Materialeigenschaften selbst", meint Qin. Wie die Wissenschafter im Fachjournal "Science Advances" schrieben, ließe sich diese Geometrie auch mit anderen Stoffen, etwa Metallen oder Polymeren, zu neuartigen Materialien kombinieren. (red, 21.1.2017)

  • Die im Experiment und anhand von Modellberechnungen hergestellte Struktur macht auch andere Materialien widerstandsfähig. Hier wurde dafür ein Polymer verwendet.
    foto: melanie gonick/mit

    Die im Experiment und anhand von Modellberechnungen hergestellte Struktur macht auch andere Materialien widerstandsfähig. Hier wurde dafür ein Polymer verwendet.

  • In die spezielle 3D-Form gebracht, erwies sich der "Superschaum" als noch fester als Graphen in seiner flachen Variante.
    foto: zhao qin/mit

    In die spezielle 3D-Form gebracht, erwies sich der "Superschaum" als noch fester als Graphen in seiner flachen Variante.

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