CityU Forscher entwickeln ultrafestes, leichtes und dehnbares Hybridmaterial

Man könnte meinen, widersprüchliche Eigenschaften werden niemals gemeinsam auftreten. Ein dichtes Objekt ist nicht leicht und ein dehnbares Objekt ist nicht spröde. Nun beweisen Forscher der City University of Hong Kong (CityU) aber das Gegenteil, indem sie ein leichtes Material entwickelt haben, das gleichzeitig stark und hochdehnbar ist. Hierfür entwickelten sie eine Methode, mit der gängige 3D-druckbare Polymere in leichte, ultrazähe, biokompatible hybride Kohlenstoff-Mikrogitter vverwandelt werden können. Diese können dank dem 3D-Druck auch jede beliebige Formund Größe haben, sind aber 100-mal stärker als das ursprüngliche Polymer.

Die Forscher denken zwar an verscheidene Anwendungsbereiche, speziell jedoch in der Medizin. Hier könnte diese Methode z. B. für Koronarstents und Bioimplantate verwendet werden.

Derartige Materialien nennen sich Metamaterialien. In der Natur weist ein Material bestimmte Eigenschaften nicht auf, wendet man jedoch eine Reihe von Verfahren an, nimmt es aber gewünschte Eigenschaften an. Diese kommen im 3D-Druck immer wieder zum Einsatz, die Auswahl an Materialien ist aber recht begrenzt.

“Der 3D-Druck entwickelt sich zu einer allgegenwärtigen Technologie für die Herstellung geometrisch komplexer Komponenten mit einzigartigen und einstellbaren Eigenschaften. Starke und widerstandsfähige architektonische Komponenten erfordern in der Regel Metalle oder Legierungen für den 3D-Druck, die jedoch aufgrund der hohen Kosten und der geringen Auflösung kommerzieller Metall-3D-Drucker und -Rohstoffe nicht leicht zugänglich sind. Polymere sind zwar leichter zugänglich, haben aber in der Regel keine mechanische Festigkeit oder Zähigkeit. Wir haben einen Weg gefunden, diese schwächeren und spröden 3D-gedruckten Fotopolymere in ultrazähe 3D-Architekturen umzuwandeln, die mit Metallen und Legierungen vergleichbar sind, indem wir sie einfach unter den richtigen Bedingungen erhitzen, was überraschend ist”, so Professor Lu Yang vom Department of Mechanical Engineering (MNE) und dem Department of Materials Science and Engineering (MSE) der CityU, der die Forschung leitete.

Erhöhung der Festigkeit ohne Beeinträchtigung der Duktilität

Häufig wird die Pyrolyse, eine thermische Behandlung, verwendet, um eine Erhöhung der Festigkeit hervorzurufen. Dadurch wird das Material aber sehr spröde, wodurch natürlich seine Verformbarkeit leidet. Dies ist zwar nicht die einzige Methode zur Erhöhung der Festigkeit, jedoch resultieren alle Methoden in einer Verringerung der Verformbarkeit.

Nun haben Professor Lu und sein Team aber einen genauen Moment während der Pyrolyse gefunden, bei dem eine 100-fache Steigerung der Festigkeit und eine Verdoppelung der Duktilität auftritt. Veröffentlicht haben die Forscher ihre Arbeit erstmals in der wissenschaftlichen Zeitschrift Matter unter dem Titel “Lightweight, Ultra-tough 3D Architected Hybrid Carbon Microlattices”.

Kontrolliert man die Erhitzungsrate, die Temperatur, die Dauer und die Gasumgebung sehr sorgfältig, so ist es möglich einen Zustand zu erreichen, in dem das Material gleichzeitig eine sehr gute Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität aufweist.

Dieser Effekt kommt zustande, weil die Polymerketten durch langsames Erhitzen “teilweise verkohlt” werden, wobei eine unvollständige Umwandlung der Polymerketten in pyrolytischen Kohlenstoff stattfindet. Hier entsteht ein sogenanntes Hybridmaterial, ein Material bei dem sowohl lose vernetzte Polymerketten, als auch Kohlenstofffragmente synergetisch nebeneinander existieren. Die Kohlenstofffragmente bringen die hohe Festigkeit, die Polymmerketten die Biegsamkeit. Natürlich kommt es hier auch auf eine genaue Dosierung an. Das Gemisch macht aus, wie steif und biegsam das Material schließlich wird.

Schließlich schafften es die Forscher ein karbonisiertes Polymergitter zu erzeugen, das über 100-mal fester und 2-mal dehnbarer ist als das ursprüngliche Material.

Biokompatibilität als Nebenprodukt

Neben der Verbesserung der physikalischen Eigenschaften weist das Material zudem auch eine bessere Biokompatibilität auf. Zytotoxische Tests zeigten, dass auf den Hybridkohlenstoff-Mikrogittern kultivierten Zellen lebensfähiger waren als die auf den Polymer-Mikrogittern ausgesäten Zellen.

“Unsere Arbeit bietet einen kostengünstigen, einfachen und skalierbaren Weg zur Herstellung leichter, fester und dehnbarer mechanischer Metamaterialien mit praktisch beliebiger Geometrie”, so Professor Lu.

Lu geht davon aus, dass durch die Skalierung dieser Eigenschaften eine weite Anwendung ermöglicht wird, sodass man die Materialien auf die Anwendung anpassen kann. Beteiligt an der Studie waren neben dem korrespondierenden Autor Professor Lu Yang auch Dr. James Utama Surjadi, Professor Wang Zuankai und Dr. Raymond Lam Hiu-wai.

Mehr über die City University of Hong Kong finden Sie hier.