Caltech: 3D-Druck von Metalle im Nanomaßstab stärker als erwartet

Forschende von Caltech haben eine innovative 3D-Drucktechnik vorgestellt, die es ermöglicht, Metallteile im Nanobereich zu produzieren. Während solch kleine Strukturen normalerweise als “niedrige Qualität” gelten würden, hat das Team festgestellt, dass diese Teile tatsächlich drei- bis fünfmal stärker sein können als ihre größeren Gegenstücke. Diese Entdeckung könnte den Weg für zahlreiche Anwendungen in der Technik und darüber hinaus ebnen.

Das Team um Julia R. Greer stellte fest, dass die atomaren Anordnungen in diesen Objekten unordentlich sind, was normalerweise bei großen Strukturen zu Schwäche führt. Überraschenderweise erweisen sich jedoch die nanostrukturierten Metalle als dreimal bis fünfmal stärker als ihre wohlgeordneten Gegenstücke.

“Während dieses Prozesses laufen all diese thermischen und kinetischen Prozesse gleichzeitig ab, und sie führen zu einer sehr, sehr unordentlichen Mikrostruktur”, sagt Greer. “Man sieht Defekte wie Poren und Unregelmäßigkeiten in der atomaren Struktur, die normalerweise als festigkeitsmindernde Defekte angesehen werden. Wenn man etwas aus Stahl bauen würde, z. B. einen Motorblock, dann würde man diese Art von Mikrostruktur nicht sehen wollen, weil sie das Material erheblich schwächen würde.

Die innovative Methode beginnt mit der Vorbereitung eines fotosensitiven „Cocktails“, der größtenteils aus einem Hydrogel besteht. Dieses wird anschließend selektiv mit einem Laser gehärtet, um ein 3-D-Gerüst in der gewünschten Form zu erstellen. Nach dem Einbringen von Metallionen und anschließendem Backen entstehen schrumpfende, vollständig metallische Strukturen.

Bei der abschließenden chemischen Behandlung entwickeln die Teile unerwartete Stärke durch ihre vielen Defekte, die normalerweise als schwächend gelten. Bei nanoskaligen Strukturen verhindern diese Defekte jedoch, dass sich ein Versagen von einer Korn-Grenze zur nächsten ausbreitet, wodurch die Materialien widerstandsfähiger werden.

“Normalerweise breitet sich der Verformungsträger in Metall-Nanosäulen – also eine Versetzung oder ein Schlupf – so lange aus, bis er an der äußeren Oberfläche entweichen kann”, sagt Wenxin Zhang, Hauptautorin der Arbeit und Doktorandin im Fachbereich Maschinenbau. “Bei Vorhandensein von inneren Poren endet die Ausbreitung jedoch schnell an der Oberfläche einer Pore, anstatt sich durch die gesamte Säule fortzusetzen. Als Faustregel kann man sagen, dass es schwieriger ist, einen Verformungsträger zu erzeugen, als ihn sich ausbreiten zu lassen, was erklärt, warum die vorliegenden Säulen möglicherweise stärker sind als ihre Gegenstücke”.

“Anfangs waren wir besorgt”, sagt sie. “Wir dachten: ‘Oh je, diese Mikrostruktur wird niemals zu etwas Gutem führen’, aber anscheinend hatten wir keinen Grund zur Sorge, denn es stellte sich heraus, dass es nicht einmal ein Nachteil ist. Es ist sogar eine Eigenschaft.”

Die Arbeit wurde im Labor von Julia R. Greer, der Ruben F. und Donna Mettler Professorin für Materialwissenschaft, Mechanik und Medizintechnik und Direktorin des Kavli Nanoscience Institute der Fletcher Jones Foundation, durchgeführt. Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlicht.