Weltweit kleinstes Fachwerk

  • 02. February 2016

Laser-Lithographie und Pyrolyse erzeugen neuen Nano­werk­stoff.

Das kleinste bislang von Menschen geschaffene Fachwerk haben Forscher des KIT vorge­stellt: Mit Streben­längen von unter einem Mikro­meter und Streben­durch­messern von zwei­hundert Nano­metern sind seine Bau­teile aus glas­artigem Kohlen­stoff rund einen Faktor fünf kleiner als ver­gleich­bare Meta­materialien. Durch die kleine Dimension werden bisher uner­reichte Verhält­nisse von Festig­keit zu Dichte erzielt. Anwendungen als Elek­troden, Filter oder optische Bauteile könnten möglich werden.

Nano-Fachwerk

Abb.: Erst unter dem Mikroskop kann man das weltweit kleinste Fachwerk erkennen, dessen Strebendurchmesser 0,2 und die Gesamtgröße etwa zehn Mikrometer betragen. (Bild: J. Bauer, KIT)

„Leichtbau-Werkstoffe wie Knochen und Holz findet man überall in der Natur“, erklärt KIT-Forscher Jens Bauer. „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 gezielt so geplant und herge­stellt werden, dass sie mechanische oder 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 oder Leicht­bau-Nano­werk­stoffe, die hohe spezifische Stabi­lität auf­weisen.

Für das nun vorgestellte stabile Fachwerk nutzte Bauer zunächst die 3-D-Laser­litho­graphie. Laser­strahlen härten computer­gesteuert die gewünschte mikro­meter­große Struktur in einem Photo­lack aus. Die Auf­lösung des Verfahrens erlaubt es aller­dings nur, Streben von fünf bis zehn Mikro­metern Länge und einem Mikro­meter Durch­messer zu erstellen. Im anschlie­ßenden Schritt wird die Struktur mittels Pyrolyse geschrumpft und verglast. Damit wird erstmals bei der Herstellung mikro­struktu­rierte Fachwerke Pyrolyse genutzt: Das Objekt wird in einem Vakuum-Ofen Temperaturen von etwa neun­hundert Grad Celsius ausgesetzt, wodurch die chemischen Bindungen sich neu orientieren. Dabei entweichen alle Elemente aus dem Lack außer dem Kohlen­stoff, welcher in seiner unge­ordneten Form als Glas­kohlen­stoff in der geschrumpften Fach­werk­struktur zurück­bleibt. Die gewonnenen Strukturen setzen die Forscher mit einem Stempel unter Druck und testeten so ihre Stabilität.

„Die Ergebnisse zeigen, dass die Belastbarkeit des Fach­werks sehr nahe an der theoretisch Möglichen und weit über der von unstruk­turiertem glas­artigem Kohlen­stoff liegt“, sagt Oliver Kraft, Mitautor der Studie. „Diamant ist noch der einzige Fest­stoff, der eine höhere spezi­fische Stabi­lität aufweist.“ Mikro­struktu­rierte Materialien dienen oft zur Isolation oder als Stoß­dämpfer. Offen­porige Stoffe können als Filter in der chemischen Industrie genutzt werden. Meta­materialien haben auch außer­gewöhnliche optische Eigen­schaften, die in der Tele­komunikation einge­setzt werden können. Glas­kohlen­stoff ist ein hoch­techno­logischer Werk­stoff aus reinem Kohlen­stoff, der glas­artige keramische Eigen­schaften mit denen des Graphits vereint. Er ist als Werk­stoff in Elektroden von Batterien oder Elektro­lyse­anlagen interessant.

KIT / RK

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