Forscher des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben ein 3-D-Fachwerk mit Streben von kaum 200 Nanometer Durchmesser aus glasartigem Kohlenstoff geschaffen. Das neuartige ?Material? zeigt höhere spezifische Festigkeit als die meisten Feststoffe.
Das kleinste von Menschen gemachte Fachwerk haben Forscher des KIT Materials vorgestellt. Mit Strebenlängen von unter einem Mikrometer und Strebendurchmessern von 200 Nanometern sind seine Bauteile aus glasartigem Kohlenstoff rund einen Faktor fünf kleiner als vergleichbare sogenannte Metamaterialien. Durch die kleine Dimension werden bisher unerreichte Verhältnisse von Festigkeit zu Dichte erzielt. Anwendungen als Elektroden, Filter oder optische Bauteile könnten möglich werden.
?Leichtbau-Werkstoffe wie Knochen und Holz findet man überall in der Natur?, erklärt Dr.?Ing. Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie, Erstautor der Studie. ?Sie vereinen hohe Tragkraft und kleines Gewicht und sind so ein Vorbild für mechanische Metamaterialien für technische Anwendungen.?
Metamaterialien sind Stoffe, deren Struktur im Größenbereich von Mikrometern (millionstel Meter) gezielt so geplant und hergestellt werden, dass sie mechanische oder etwa optische Eigenschaften besitzen, die unstrukturierte Feststoffe prinzipiell nicht erreichen können. Beispiele sind Tarnkappen, die Licht, Schall oder Wärme um Objekte herum leiten, Materialien, die kontra-intuitiv auf Druck und Scherung reagieren (auxetisch) oder Leichtbau-Nanowerkstoffe, die hohe spezifische Stabilität aufweisen (Kraft pro Fläche und Dichte).
3-D-Laserlithografie, Laserstrahlhärten plus Pyrolyse
Für das nun vorgestellte stabile Fachwerk, mit den weltweit, kleinsten Strukturen, nutzte Bauer zunächst die bewährte 3-D-Laserlithografie. Laserstrahlen härten computergesteuert die gewünschte mikrometergroße Struktur in einem Photolack aus. Die Auflösung des Verfahrens erlaubt es allerdings nur, Streben von rund 5-10 Mikrometer Länge und einem Mikrometer Durchmesser zu erstellen. Im anschließenden Schritt wird die Struktur mittels Pyrolyse geschrumpft und verglast.