Leicht wie Holz – stabiler als Titan

Holz ist ein außergewöhnlich vielseitiges Material: Dank der verzweigten Kettenmoleküle aus Zellulose und Lignin ist dieser natürliche Werkstoff ein echter Alleskönner. Durch den Aufbau der Zellwände ist es auf der einen Seite enorm stabil. Auf der anderen Seite sorgen die Zellzwischenräume und Poren dafür, dass das Material leicht bleibt. Aufgrund dieser Eigenschaften dient Holz seit Jahrtausenden als Rohstoff für Bauwerke und Werkzeuge. Inzwischen wird das umweltfreundliche Biomaterial zunehmend für moderne Holzbauten, aber auch für neue Materialien, wiederentdeckt.

Das statische Konstruktionsprinzip von Holz lässt sich aber auch durchaus auf andere Materialien übertragen, wie nun James Pikul von der University of Pennsylvania und sein Team gezeigt haben. „Der Grund, warum wir es Metallholz nennen, ist nicht nur die holzähnliche Dichte, sondern seine zelluläre Natur“, erklärt Pikul. Die Forscher haben die Struktur von normalem Nickel so verändert, dass ein Metall mit einer porösen, holzähnlichen Mikrostruktur entstanden ist.

Herstellung

Für die Konstruktion des neuen Werkstoffes verwendeten Pikul und sein Team Polystyrol-Kügelchen von nur wenigen hundert Nanometern Durchmesser. Diese bildeten ein dichtes Gefüge mit winzigen Hohlräumen. Mithilfe eines elektrischen Feldes wurde das Polystyrol mit Nickel bedampft, wodurch sich auch die Hohlräume füllten. Der Kunststoff wurde anschließend mit einem Lösungsmittel entfernt. Das Resultat ist eine poröse Nickelstruktur. Aufgrund der Struktur der entstandenen Nanostreben ist das Material jedoch stärker, fester und stabiler als massiver Nickel. Das Metallholz wies in Tests Stärken von 230 Megapascal auf. „Dies ist höher als bei den meisten hochfesten Metallen wie Edelstahl oder verschiedenen Titan-Aluminium-Vanadium-Legierungen“, sagen die Forscher. Im Vergleich zu massivem Nickel konnte die poröse Nickelstruktur einem viermal höheren Druck standhalten.

Nanostreben

In der Praxis erreichen Metalle niemals die theoretisch mögliche Stabilität, da winzige Defekte in der atomaren Struktur unvermeidbar sind. Diese Defekte wiederrum schwächen das Material. Es hat sich jedoch in Experimenten gezeigt, dass die Verwendung von Nanosäulen diesen Effekt stark reduziert.
„Wir operieren in Längenskalen, in denen die Stärke der Streben ihr theoretisches Maximum erreicht“, erklärt Pikul. „Die spezifische Stärke des Materials kommt von der großen Konzentration solcher extrem festen Streben, die den Großteil der Belastung tragen, und den glatten Verbindungen zwischen ihnen.“ Eine Quadratzentimeter große Lage des Werkstoffes enthalte rund eine Milliarde Nanostreben, so Pikul weiter.
Dennoch bestehen 70 Prozent des Werkstoffes aus Hohlräumen. Damit besitzt das Metallholz ein vergleichbares Gewicht und auch eine vergleichbare Dichte wie sein natürliches Vorbild. Ein scheinbar massiver Balken aus diesem Material wäre in der Praxis so leicht, dass er sogar auf dem Wasser schwimmen würde, so die Forscher weiter.
Doch der Weg bis dahin ist noch weit: Möglichkeiten hin zu einer industriellen Produktion von Metallholz müssen erst noch erarbeitet werden. Für Pikul und sein Team ist Metallholz jedoch bereits jetzt ein Werkstoff der Zukunft: Denn das metallische Holz kann bei Raumtemperatur verarbeitet und leicht mit zusätzlichen funktionalen Materialien kombiniert werden, so die Forscher. Zudem können die mechanischen Eigenschaften des Materials gezielt durch seine Nanogeometrie kontrolliert werden.

Darüber hinaus ergibt sich aufgrund der Struktur noch eine weitere Anwendungsmöglichkeit: Die Poren selbst könnten mit einem Material gefüllt werden, das in der Lage ist, Energie zu speichern. Das Metallholz könnte somit zu einer Batterie werden.

Quelle: University of Pennsylvania
(Scientific Reports, 2019; doi: 10.1038/s41598-018-36901-3)