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Materialwissenschaft: Unsinkbares Metall

Was schwerer ist als Wasser, kann auch sinken. Für Metalle mit speziell behandelten Oberflächen muss das jedoch nicht immer gelten.
Materialwissenschaft: Unsinkbares Metall

Veröffentlicht am: 06.11.2019

Laufzeit: 0:01:14

Sprache: englisch UT

private Universität in Rochester im US-Bundesstaat New York

Spätestens seit dem Untergang der »Titanic« vor mehr als 100 Jahren verursacht die Bezeichnung »unsinkbar« in Zusammenhang mit Metall automatisch zweifelndes Stirnrunzeln. Natürlich kann auch Stahl, sofern er in die richtige Form gebracht wurde und genügend Wasser verdrängt, schwimmen. Aber schon ein kleines Loch in der Konstruktion, oder, wie im Fall der »Titanic«, eine ganze Reihe von Lecks unterhalb der Wasserlinie bereiten dem Zauber üblicherweise ein jähes Ende. Wie in dem kurzen Youtube-Video der University of Rochester eindrucksvoll demonstriert wird, muss das nicht immer so sein. Zu sehen ist ein Stück Aluminium, das, egal wie oft man es nach unten drückt, immer wieder zur Wasseroberfläche aufsteigt. Und zwar auch dann noch, wenn es zuvor auf brutale Weise mit einem Bohrer misshandelt und völlig durchlöchert worden ist.

Die Erklärung für den erstaunlichen Effekt liegt in der Oberflächenspannung von Wasser. Sind Druck und Temperatur für den flüssigen Zustand geeignet, ist es für die einzelnen Wassermoleküle energetisch günstiger, sich zu einem Tropfen zusammenzutun, als weiterhin getrennt voneinander im Dampf zu existieren. In ihrem Bestreben, die Energie zu minimieren, suchen die Teilchen ihre gegenseitige Nähe und wollen am liebsten völlig von ihren Partnern umgeben sein. Da an der Oberfläche des Tropfens aber für jedes Molekül nur etwa halb so viele Partner zur Verfügung stehen wie im Inneren, versucht das gesamte Gebilde, seine Oberfläche zu minimieren, und der Tropfen nimmt idealerweise die Form einer Kugel an. Gerät der Tropfen nun in Kontakt mit einer festen Oberfläche, können unterschiedliche Effekte auftreten. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Festkörpers suchen die Wassermoleküle entweder den Kontakt mit den Molekülen der Oberfläche (man spricht dann von einer hydrophilen Oberfläche), oder sie vermeiden ihn (im Fall einer hydrophoben Oberfläche). Im ersteren Fall wird der Wassertropfen versuchen, eine möglichst große Kontaktfläche herzustellen und das Material benetzen. Mit hydrophoben Oberflächen wiederum wird die Kontaktfläche so klein wie möglich gehalten, und der Tropfen perlt ab. Dieser Effekt kann durch mikroskopische Strukturen auf der Oberfläche noch verstärkt werden, was sich in der Natur unter anderem beim Lotuseffekt beobachten lässt. Und auch die Füße von Wasserläufern sind mit ihren feinen Härchen hydrophob und verdrängen das Wasser, anstatt einzudringen.

Um ihr unsinkbares Metall zu kreieren, haben die Forscher der University of Rochester Aluminiumplättchen mit hochenergetischen Laserpulsen bearbeitet und damit eine Oberflächenstruktur erzeugt, die sie extrem hydrophob macht. Indem sie zwei solche Oberflächen in engem Abstand zueinander positionierten, schufen sie ein Volumen, in das unter normalen Bedingungen kein Wasser eindringen kann, was damit für den nötigen Auftrieb sorgt. Außerdem sind die empfindlichen Flächen so auch vor anderen zerstörerischen Umwelteinflüssen geschützt. Ob daraus irgendwann einmal tatsächlich Schiffe gebaut werden, wie die Forscher anregen, bleibt freilich offen. Ebenso wie die Frage, ob diese dann tatsächlich »unsinkbar« wären. Denn wer schon einmal einen Wasserläufer mit einem Tropfen Spülmittel geärgert hat, weiß, wie schnell es mit der Oberflächenspannung von Wasser vorbei sein kann.

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