Forscher entwickeln Supermaterial – so leicht wie Styropor und so stark wie Stahl

Forscher haben ein neues Nanomaterial entwickelt, das extrem leicht und dennoch belastbar ist. Das Material erreicht die Festigkeit von Stahl, hat aber die Dichte von Styropor und könnte breite Anwendung in der Luftfahrt, im Fahrzeugbau und in anderen Hightech-Bereichen finden. Grundlage bildet ein spezielles Netz aus Kohlenstoff-Nanogittern, das mit einer neuen Optimierungsmethode gestaltet wurde.

Neues Design für mehr Stabilität

Das Forschungsteam der University of Toronto nutzte einen speziellen Algorithmus für maschinelles Lernen, bekannt als „multi-objektive Bayessche Optimierung“, um die Struktur der Nanogitter zu verbessern. Der Prozess optimierte die Materialverteilung und verbesserte die mechanischen Eigenschaften.

In Kombination mit einer speziellen Fertigungsmethode, der Zwei-Photonen-Polymerisation, gelang es, die Nanogitter besonders präzise herzustellen. Die Ergebnisse zeigen eine um bis zu 118 Prozent gesteigerte Festigkeit und eine 68 Prozent höhere Steifigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Strukturen.

Hohe Belastbarkeit trotz geringer Dichte

Die Wissenschaftler kombinierten die optimierte Struktur mit pyrolysiertem Kohlenstoff. Diese spezielle Behandlung führte zu einem Material mit einer außergewöhnlichen spezifischen Festigkeit von 2,03 Megapascal pro Kubikmeter pro Kilogramm. Das Material bleibt dabei extrem leicht – mit einer Dichte zwischen 125 und 215 Kilogramm pro Kubikmeter, vergleichbar mit Styropor. Die Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Diese neue Nanostruktur könnte große Auswirkungen auf die Materialwissenschaft haben. Besonders in der Luftfahrt- und Automobilindustrie ist leichtes und gleichzeitig stabiles Material gefragt. Eine hohe spezifische Festigkeit bedeutet, dass weniger Material für dieselbe Stabilität benötigt wird, was Gewicht und damit den Energieverbrauch reduziert. Auch für Schutzmaterialien, etwa in der Raumfahrt oder im Militärbereich, könnten diese Nanogitter eingesetzt werden.

Höhere Leistungsfähigkeit durch präzise Strukturierung

Die Forscher stellten die Strukturen mithilfe von Zwei-Photonen-Polymerisation her. Dabei werden kleinste Kohlenstoffstrukturen durch gezielte Laserbelichtung erzeugt. Anschließend erfolgt eine Pyrolyse, eine Art Hitzebehandlung, die den Kohlenstoffanteil weiter erhöht. Untersuchungen zeigten, dass die Nanogitter nach dieser Behandlung eine einzigartige Atomstruktur aufweisen. Dies sorgt für höhere Stabilität und reduzierte Sauerstoffverunreinigungen, was die Materialeigenschaften zusätzlich verbessert.

Messungen ergaben, dass dünnere Nanogitter eine deutlich bessere mechanische Leistung zeigen. Strukturen mit nur 300 Nanometer dicken Streben wiesen eine bis zu 75 Prozent höhere Steifigkeit auf als jene mit 600 Nanometern. Die kleinere Strukturgröße führte zudem zu einer höheren Kohlenstoffdichte und damit zu besseren mechanischen Eigenschaften. Die spezifische Festigkeit dieses Materials übertrifft die vieler anderer Leichtbaumaterialien um das Zehnfache.

Schnelle Fertigung für industrielle Nutzung

Die Skalierbarkeit dieser Methode macht sie für industrielle Anwendungen interessant. Die Forscher haben gezeigt, dass ihre Technik auch für größere Bauteile eingesetzt werden kann. Ein Millimeter großer Würfel enthielt dabei 18,75 Millionen winzige Zellen. Diese Skalierbarkeit ist ein wichtiger Schritt in Richtung industrielle Nutzung.

Kurz zusammengefasst:

• Forscher haben ein ultraleichtes Nanomaterial entwickelt, das so stabil ist wie Stahl und die Materialwissenschaft verändern könnte.
• Die Kombination aus maschinellem Lernen und Zwei-Photonen-Polymerisation macht das Kohlenstoff-Gitter besonders belastbar und effizient herstellbar.
• Durch eine spezielle Pyrolyse gewinnt das Material außergewöhnliche Festigkeit und könnte in der Luftfahrt, im Fahrzeugbau und in der Raumfahrt eingesetzt werden.

Bild: © Vecteezy