Zo licht mogelijk en tegelijkertijd zo sterk mogelijk:dit zijn de vereisten voor moderne lichtgewicht materialen, zoals die worden gebruikt in de vliegtuigbouw en de auto-industrie. Een onderzoeksteam van Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) en de Technische Universiteit van Hamburg (TUHH) heeft nu een nieuwe materiaalontwerpbenadering ontwikkeld voor toekomstige ultralichte materialen:metalen stutten ter grootte van nanometers die geneste netwerken vormen op afzonderlijke hiërarchische niveaus bieden verbazingwekkende sterkte.

De onderzoeksgroep presenteert haar bevindingen in het huidige nummer van het tijdschrift Wetenschap .

Toen de Eiffeltoren in 1889 werd ingehuldigd, het werd beschouwd als een technisch wonder. De kunstzinnige en delicate opstelling van grote en kleine ijzeren liggers zorgde voor buitengewone stabiliteit, en het was destijds verreweg het hoogste gebouw ter wereld. De term "hiërarchisch" beschrijft de technische benadering van een open array van grotere balken, ondersteund door kleinere. Sinds een aantal jaren, materiaalwetenschappelijke onderzoekers hebben geprobeerd deze efficiënte benadering over te brengen op de interne microstructuur van materialen, bijvoorbeeld, door 3D-printers te gebruiken die technische truss-structuren op micrometerschaal kunnen repliceren.

Tot dusver, de hoop op het creëren van een nieuwe generatie extreem sterke lichtgewicht constructiematerialen is niet vervuld. Een van de redenen:"Een 3D-printer kan maximaal ongeveer 10, 000 stralen, en dat duurt uren " zegt professor Jörg Weißmüller van het Institute of Materials Mechanics aan de HZG, co-auteur van de huidige publicatie. "Voor praktische toepassingen, dit is niet echt een haalbare optie."

Zilver wegroesten

Hoe dan ook, zijn team streeft een nog ambitieuzer doel na:als stralen kunnen worden versterkt door te verkleinen tot enkele nanometers in diameter, ze zouden de basis kunnen vormen voor een nieuw soort materiaal - uitzonderlijk licht, en op hetzelfde moment, sterk. Echter, dit soort materiaal zou biljoenen balken moeten bevatten, het vermogen van zelfs de meest geavanceerde printer ver overtreft. "Daarom moeten we de natuur voor de gek houden om dit soort materialen voor ons te maken, gewoon door zelforganisatie, " Weißmüller's collega Dr. Shan Shi, hoofdauteur van de studie, verklaart.

Om te beginnen, het team gebruikte een legering van 93% zilver en 7% goud. Deze legering wordt ondergedompeld in verdund zwavelzuur, ongeveer de helft van het zilver oplossen. Als resultaat, het resterende materiaal herschikt zichzelf, vormen een delicaat netwerk van bundels op nanoschaal. Nadien, het materiaal ondergaat een warmtebehandeling bij enkele honderden graden. "Hierdoor wordt het netwerk grover tot een bundelgrootte van 150 nanometer met behoud van de oorspronkelijke architectuur, ' legt Shi uit.

Tijdens de laatste stap, zuur wordt gebruikt om de rest van het zilver uit te wassen, er blijven alleen gouden stralen over met een poriegrootte van gemiddeld 15 nanometer. Het resultaat is een hiërarchisch gestructureerd materiaal met twee duidelijk verschillende bundelgroottes, niet anders dan de Eiffeltoren. Door de open netwerkstructuur dit nieuwe materiaal bestaat voor 80 tot 90% uit lucht, waardoor het een dichtheid heeft van slechts 10 tot 20% van het vaste metaal.

Verbazingwekkend licht, ongelooflijk sterk

De onderzoeksgroep testte vervolgens de mechanische eigenschappen van hun millimetergrote monsters. "Gezien de lage dichtheid van dit materiaal, het vertoont uitzonderlijk hoge waarden voor belangrijke mechanische parameters zoals sterkte en elasticiteitsmodulus, " zegt Jörg Weißmüller. "We hebben veel van de massa verwijderd en heel weinig achtergelaten, maar het materiaal is veel sterker dan wat tot nu toe de stand van de techniek was." Dit, hij zei, toont voor het eerst aan dat een hiërarchische structuur niet alleen gunstig kan zijn voor macroscopische technische vakwerkconstructies zoals de Eiffeltoren, maar ook voor lichtgewicht netwerkmaterialen.

Het nieuwe materiaal is nog niet geschikt voor toepassingen in lichtgewicht constructies - goud is gewoon te duur, daarvoor te zwaar en te zacht. Nog, de nieuwe HZG-benadering van materiaalontwerp zou mogelijk kunnen worden overgedragen naar andere, meer technologisch relevante metalen zoals aluminium, magnesium of titaan. De onderzoekers staan ​​dan voor een andere uitdaging:tot nu toe ze hebben alleen kleine, millimetergrote monsters. "Maar het lijkt heel goed mogelijk om met ons proces draden of zelfs hele platen metaal te maken, " zegt Weißmüller. "Op dat moment, het materiaal zal interessant worden in real-life scenario's, bijvoorbeeld, in nieuwe concepten voor voertuigen die lichter en dus energiezuiniger zijn."