Stanford: Neues nanoskaliges 3D-Druckmaterial könnte besseren Schutz für Satelliten bieten

Die Science-Fiction stellt sich schnelle 3D-Druckverfahren vor, mit denen in kürzester Zeit neue Objekte aus einer beliebigen Anzahl von Materialien hergestellt werden können. In der Realität sind dem 3D-Druck jedoch noch immer Grenzen gesetzt, was die Eigenschaften und die Art der Materialien angeht, die verwendet werden können, insbesondere beim Druck in sehr kleinem Maßstab.

Stanford-Forscher haben ein neues Material für den Druck im Nanomaßstab entwickelt, mit dem Strukturen geschaffen werden können, die nur einen Bruchteil der Breite eines menschlichen Haares haben. In einer in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher, dass das neue Material doppelt so viel Energie absorbieren kann wie andere 3D-gedruckte Materialien mit vergleichbarer Dichte. In Zukunft könnte ihre Erfindung genutzt werden, um einen besseren und leichteren Schutz für empfindliche Teile von Satelliten, Drohnen und Mikroelektronik zu schaffen.

“Es gibt derzeit ein großes Interesse an der Entwicklung verschiedener Arten von 3D-Strukturen für die mechanische Leistung”, sagt Wendy Gu, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und korrespondierende Autorin der Studie. “Darüber hinaus haben wir ein Material entwickelt, das sehr gut in der Lage ist, Kräften zu widerstehen. Es ist also nicht nur die 3D-Struktur, sondern auch das Material, das einen sehr guten Schutz bietet.”

Einführung von Metall-Nanoclustern

Um ein besseres Material für den 3D-Druck zu entwickeln, haben Gu und ihre Kollegen Metall-Nanocluster – winzige Klumpen von Atomen – in ihr Druckmedium integriert. Die Forscher drucken mit einer als Zwei-Photonen-Lithographie bekannten Methode, bei der das Druckmaterial durch eine chemische Reaktion gehärtet wird, die durch Laserlicht ausgelöst wird. Sie stellten fest, dass ihre Nanocluster diese Reaktion sehr gut ankurbeln konnten und ein Material ergaben, das eine Mischung aus dem polymeren Druckmedium und Metall war.

“Die Nanocluster haben sehr gute Eigenschaften, um das Laserlicht aufzunehmen und es in eine chemische Reaktion umzuwandeln”, sagt Gu. “Und sie sind in der Lage, dies mit verschiedenen Klassen von Polymeren zu tun, so dass sie noch vielseitiger sind, als ich erwartet hatte.”

Die Forscher waren in der Lage, Metall-Nanocluster mit Acrylaten, Epoxiden und Proteinen zu kombinieren – mehrere gängige Klassen von Polymeren, die im 3D-Druck verwendet werden. Außerdem halfen die Nanocluster, den Druckprozess zu beschleunigen. Durch die Kombination der Nanocluster mit Proteinen waren Gu und ihre Kollegen beispielsweise in der Lage, mit einer Geschwindigkeit von 100 Millimetern pro Sekunde zu drucken, was etwa 100 Mal schneller ist als das, was bisher beim Drucken von Proteinen im Nanomaßstab erreicht wurde.

Die Forscher testeten ihr neues Material mit mehreren verschiedenen Gitterstrukturen, wobei sie bei einigen die Fähigkeit, eine schwere Last zu tragen, und bei anderen die Fähigkeit, einen Aufprall zu absorbieren, in den Vordergrund stellten. Bei dem Nanocluster-Polymer-Verbundwerkstoff zeigten alle Strukturen eine beeindruckende Kombination aus Energieabsorption, Festigkeit und Rückstellvermögen – im Wesentlichen die Fähigkeit, sich zusammenzuziehen und zurückzufedern.

“Die Gitterstruktur spielt sicherlich eine Rolle, aber wir zeigen hier, dass es für die Leistung noch wichtiger ist, wenn das Material, aus dem es besteht, optimiert ist”, sagt Gu. “Man muss sich keine Gedanken über die genaue 3D-Struktur machen, wenn man die richtigen Materialien zum Drucken hat.”

Die natürliche Welt kopieren

In gewisser Weise versuchen Gu und ihre Kollegen, das zu imitieren, was die Natur bereits perfektioniert hat. Knochen beispielsweise erhalten ihre Widerstandsfähigkeit durch die Kombination einer harten Außenseite, nanoskaliger Porosität und geringer Mengen an weichem Material. Dank dieser Kombination aus einer 3D-Struktur und mehreren, gut durchdachten Materialien können unsere Knochen Energie übertragen, ohne (meistens) zu brechen, und sind dennoch relativ leicht. Im Idealfall würden 3D-gedruckte Schutzstrukturen auch mehrere Materialtypen enthalten, einige härter und einige weicher, um einen Aufprall besser abzufangen und Quetschungen zu widerstehen.

“Da die Nanocluster in der Lage sind, diese verschiedenen Klassen von Chemikalien zu polymerisieren, könnten wir sie verwenden, um mehrere Materialien in einer Struktur zu drucken”, sagt Gu. “Das ist ein Ziel, das wir anstreben möchten.”

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