Neue Materialien: Hart und weich zugleich

Eine kalifornische Wissenschaftlerin erzeugt winzige Gitter mit enormem Potenzial. Sie machen harte Keramik weich wie Schaumstoff.

Ein Besuch im Labor der Materialwissenschaftlerin Julia Greer am California Institute of Technology führt in ein Reich jenseits gewohnter Naturgesetze. Die von Greer entworfenen Stoffe widersprechen der Erwartung, dass starke Materialien, etwa Keramik und Stahl, schwer sein müssen – und leichte wenig stabil sind. Wo Greer den Nano-Bauplan steuert, ändern sich die Regeln.

Herkömmliche Keramik ist hart, schwer, und – wie das Fallenlassen eines Tellers jederzeit experimentell beweist – spröde und zerbrechlich. Doch die letztes Jahr von Greer erzeugte Keramiksubstanz ist gleichzeitig so hart und leicht wie kaum eine andere – und außerdem überhaupt nicht spröde.

Meist eilt Greer auf Rollerblades über den Campus, ständig auf dem Weg von einem Meeting zum nächsten. Doch nun hält sie kurz an ihrem Computerbildschirm inne, um in einem Video einen spektakulären Versuch zu demonstrieren. Dabei spricht sie so schnell, dass Zuhören höchste Konzentration erfordert. In dem Demofilm senkt sich langsam ein Stempel auf einen Würfel aus der neu entwickelten Keramiksubstanz. Er beginnt zu zittern, bis er schließlich kollabiert.

Doch sobald sich der Stempel hebt und der Druck nachlässt, richtet sich der Quader wieder auf, als sei er ein Stück Schaumgummi. "Völlig irreal", meint Greer und blickt auf das ebenmäßige Nanogitter im Inneren des Würfels. Der Schlüssel zur Erzeugung solch wundersamer Materialien ist ein Arsenal spezialisierter Maschinen. Einige davon hat Greer selbst umgebaut. Sie joggt zwei Etagen tiefer in ihr Kellerlabor. Denn dort hat sie die Präzisionsinstrumente installiert, um sie gegen Vibrationen zu isolieren. Eine der Maschinen, von zwei schweren Vorhängen geschützt, ist eine Art 3D-Drucker.

Mittels Laser-Lichtblitzen baut er sehr langsam komplizierte Polymergerüste auf. Einer von Greers Studenten beschichtet dann das Polymer mit Metall, Keramik oder anderen Materialien und rasiert schließlich die Seiten ab. Durch die so entstandene Öffnung lässt sich das innere Polymergerüst nachträglich wegätzen. Das Ergebnis ist ein kleiner Materialblock aus sich einander kreuzenden Streben – ähnlich einem Eiffelturm im Nano-Maßstab. Die Wände jeder Strebe sind nur etwa zehn Nanometer dick.

Ließen sich Stoffe wie diese in großen Mengen herstellen, gäbe es ein ganzes Arsenal von Anwendungen. Sie könnten viele Verbundwerkstoffe und andere Materialien ersetzen und die Produkte bedeutend leichter machen. Denn sie sind zwar genauso fest, wiegen aber nur einen Bruchteil. Mit ihrer Hilfe ließe sich auch die Speicherkapazität einer Batterie enorm erhöhen. Schon seit Langem versuchen Forscher, leichtere Elektroden bei gleichzeitig höherer Kapazität zu entwickeln. Doch vielversprechende Materialien wie Silizium neigen unter Belastung zu Rissen.

Würde man für die Elektrode jedoch das Nanogitter-Metall mit Silizium beschichten, wäre die Rissfestigkeit direkt in die Struktur eingebaut. Greers Methode, Stoffe aus Nanogittern zu entwerfen, beschränkt sich nämlich nicht nur auf Keramik. Das zeigt eine Probe aus ihrer früheren Zusammenarbeit mit den Hughes Research Laboratories (HRL) im kalifornischen Malibu. Dort arbeiten Forscher an etwas gröber strukturierten Streben.

Die Probe besteht aus Nickel und erinnert an einen Scheuerschwamm aus Metallgeflecht. Doch wer sie in die Hand nimmt, fühlt entgegen der Erwartung kaum einen Druck. Das Metall ist buchstäblich leichter als eine Feder. Die HRL-Kollegen wollen das Material künftig als ultraleichten Wärmeisolator einsetzen.

Bis diese nanostrukturierten Materialien tatsächlich angewendet werden können, müssen die Wissenschaftler allerdings noch einen weiten Weg gehen. Denn es gibt von den Wunderstoffen nur so winzig kleine Mengen, dass sie noch nicht einmal eine Handfläche bedecken. Um ein sechs mal sechs Millimeter großes Keramikquadrat herzustellen, benötigte Greers Team eine ganze Woche. "Für unsere wissenschaftlichen Experimente reicht das aus", sagt sie. "Doch jetzt ist die Frage: Wie bekommen wir es groß?"

Greer hofft jedoch, das hochauflösende Laser-Druckverfahren so beschleunigen zu können, dass praktische Anwendungen in greifbare Nähe rücken. Nicht ganz zu Unrecht: Zahlreiche Kooperationspartner interessieren sich bereits für deren ungewöhnliche Eigenschaften. Es gelang Greer etwa, die winzigen Gitterstreben so anzuordnen, dass sich die Strahlung von Licht oder Wärme genau steuern lässt. Das ist interessant für lichtemittierende oder wärmeisolierende Materialien.

In Zusammenarbeit mit zwei Batterieherstellern erforscht Greer außerdem die elektrochemischen Eigenschaften ihrer Nanostrukturen. Und sie kooperiert mit Biologen, um herauszufinden, ob nanostrukturierte Keramik als Gerüst für gezüchtete Knochen dienen könnte – zum Beispiel für die kleinen Gehörknöchelchen, deren Degeneration eine häufige Ursache für Schwerhörigkeit ist. (bsc)