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Materialforschung: Kleinstes Fachwerk der Welt aus dem 3-D-Drucker

Aus nur 200 Nanometer dicken Balken besteht das kleinste bisher hergestellte Gerüstmaterial. Es ist fast so stark wie Diamant.
Das kleinste Fachwerk der WeltLaden...

Nur 200 Nanometer dick sind die Streben, aus denen ein Team um Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine neue, hochfeste Gerüststruktur erschuf. Das fachwerkartige Gebilde besteht aus glasartigem amorphem Kohlenstoff, der bei der Zersetzung von Kunststoff bei hohen Temperaturen entsteht. Die Forscher erschufen per 3-D-Druck eine etwa fünffach größere Version des Gebildes und erhitzten diese Vorstufe auf 900 Grad. Dadurch blieb nur noch der Kohlenstoff zurück, und das Werkstück schrumpfte auf seine endgültigen Dimensionen. Im Test zeigte sich, dass der Werkstoff extrem stabil ist und in seiner Festigkeit in Relation zur spezifischen Dichte nur noch von Diamant übertroffen wird.

Das kleinste Fachwerk der WeltLaden...
Das kleinste Fachwerk der Welt

Die Größe solcher Strukturen war bisher nach unten begrenzt – einfach weil man mit den verfügbaren 3-D-Techniken nur Objekte auf Skalen oberhalb eines Mikrometers herstellen kann. Bei der Fotolithografie härtet man dazu ein Harz mit einem UV-Laser aus, dessen Wellenlänge die Größe der Strukturen einschränkt. So ging auch die Arbeitsgruppe des KIT vor. Allerdings sind die dabei entstehenden Kunststoffteile mechanisch vergleichsweise schwach. Der glasartige Kohlenstoff dagegen, der nach dem Erhitzen zurückbleibt, ist etwa zehnmal so steif – und die Gerüststruktur hat nur etwa ein Drittel der Dichte von Wasser.

Um zu verhindern, dass sich die Struktur beim Schrumpfen verzerrt, platzieren die Forscher um Bauer ihre Werkstücke auf einem Podest, so dass es sich unabhängig vom Substrat bewegen kann – das Ergebnis ist eine um etwa 80 Prozent kleinere Version des Originals. Zusätzlich haben die so erzeugten Werkstoffe interessante elektrische und optische Eigenschaften: Glasiger Kohlenstoff kann halbleitend werden und ist ein Metamaterial. Solche Stoffe verhalten sich gegen elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen auf der Skala der Strukturelemente sehr ungewöhnlich und sind für optische Bauteile interessant. Zusätzlich macht die Porenstruktur ihren Einsatz als Nanofilter, aber auch als Katalysatorträger mit extrem hoher innerer Oberfläche möglich.

05/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 05/2016

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