Metallskum som utvecklats av materialforskarna Stefan Diebels och Anne Jung vid Saarlands universitet Strong är tillräckligt starka för användning i stötskyddssystem i bilar, och kan absorbera de stötvågor som produceras av en detonation. Deras superlätta, extremt starka metallskum kan skräddarsys för ett brett spektrum av applikationer.

Inspirationen till det nya skumsystemet kom från ben. Genom att använda en patenterad beläggningsprocess, Saarbrücken-teamet tillverkade mycket stabila, porösa metallskum som kan användas, till exempel, i lätta byggprojekt. Det initiala gittersubstratet är antingen ett aluminium- eller polymerskum, inte olik en kökssvamp. Forskargruppen och det nystartade företaget som deras arbete har gett upphov till (Mac Panther Materials GmbH, Bremen, Tyskland) kommer att vara på Hannover Messe, där de kommer att visa upp sin process från den 1:a till den 5:e april i Saarland Research and Innovation Stand (Hall 2, Stativ B46).

Ben är en av naturens många geniala utvecklingar. De är starka och stabila och klarar belastning nästan lika bra som stål. Men trots deras styrka, ben är otroligt lätta. Hemligheten ligger i kombinationen av ett hårt yttre skal som omsluter en porös, gitterliknande nätverk av benvävnad i benets inre. Denna struktur sparar på material och minskar vikten. Metallskum efterliknar dessa naturligt förekommande benstrukturer.

Syntetskum är poröst, strukturer med öppna celler tillverkade av metaller och som ser ut som en svamp. De metallskum som för närvarande finns tillgängliga är lämpligt lätta, men produktionsprocessen är komplicerad och dyr. Stabiliteten hos befintliga svampliknande skumstrukturer är fortfarande för svag och inte tillräckligt elastisk för många applikationer. Detta gäller aluminiumskum, vilket är den vanligaste typen som tillverkas idag. "Detta är anledningen till att metallskum hittills inte har haft någon verklig marknadspåverkan, " förklarar materialvetaren Stefan Diebels, professor i tillämpad mekanik vid Saarlands universitet.

Hans forskargrupp har hittat ett sätt att avsevärt stärka gallerstrukturen hos metallskum, producerar en lätt, extremt stabilt och mångsidigt material. Diebels och materialforskaren Dr. Anne Jung har utvecklat en patenterad procedur för beläggning av de individuella stöttorna som utgör det inre gittret med öppna celler. Som ett resultat, utsidan av skummet är starkare och stabilare, och strukturen kan nu motstå extrema belastningar. Dock, det behandlade skummet förblir otroligt lätt.

Teamet började använda aluminiumskum, men använder nu billiga polyuretanskum vars styrka helt kommer från den tunna metallbeläggningen som appliceras på gallerstrukturen. "De resulterande metallskummet har en låg densitet, en stor yta men en liten volym. I förhållande till deras vikt, dessa skum är extremt starka och styva, " säger Stefan Diebels. Faktum är att de är så starka att de används som mobila barriärer för att ge skydd mot stötvågor som orsakas av explosioner. Även när de utsätts för undervattensdetonationer, skummet "sväljer" helt enkelt de resulterande ljud- och tryckvågorna, skyddar därmed känsliga marina organismer från effekterna av dessa kraftfulla stötvågor.

"De flesta av de applikationer vi fokuserar på är i allmänhet mindre spektakulära, såsom användningen av våra skum i lätta konstruktioner, " förklarar Dr Anne Jung, en senior forskare i Diebels grupp.

Många produkter kan göras lättare och mer stabila genom att hämta inspiration från naturens designsnällhet. Till exempel, lastbärande strukturer i bilar och flygplan skulle kunna tillverkas av metallskummet. "De kan installeras som förstärkningsstag i karossen, samtidigt som det ger skydd mot stötar. Strävorna kan ta upp stora mängder energi och kan absorbera kraften från en kollision när delar av den porösa kärnan spricker under kollision, " förklarar Anne Jung.

Det finns många användningsområden för dessa skum, som vid katalys, eftersom materialet är poröst och därmed tillåter vätskor och gaser att strömma genom det, eller för stötdämpning eller som värmesköld, eftersom skummet uppvisar utmärkt värmebeständighet. Skummaterialet kan även användas för elektromagnetisk avskärmning eller i arkitektoniska tillämpningar, där den finner användning som ljuddämpande beklädnad eller som ett byggnadsdesignelement.

Beläggningen appliceras i ett elektropläteringsbad. Den mest utmanande aspekten av galvaniseringsprocessen var att uppnå en enhetlig beläggning av det ultratunna skiktet genom hela det inre av skumstrukturen. "Problemet, " förklarar Anne Jung, "är att metallskummet fungerar som en Faraday-bur." Eftersom det inre av skummet är omgivet av elektriskt ledande material, elektrisk ström och därmed beläggningen avleds till utsidan av skumkroppen och går inte genom det inre av skummet – det liknar vad som händer när blixten slår ner i en bil. Genombrottet kom när Anne Jung bestämde sig för att använda en speciell anodbur, som gör att hon kan använda uniform, nanokristallin beläggning genom hela gitternätverket. "Den patenterade metoden fungerar även i industriell skala med skum med mycket stora ytor, " tillägger Jung.

Saarbrücken-teamet har skrivit många viktiga vetenskapliga artiklar inom området, och anses nu vara en av världens ledande forskargrupper inom mikromekanisk karakterisering av dessa porösa metallgitter. Med hjälp av en rad experiment, simuleringar, spännings- och kompressionstestning, optisk mikroskopi och röntgentomografi, forskargruppen har undersökt strukturen, porgeometri och krökning av strävorna och har visat hur varierande tjocklek på nanobeläggningen kan ge olika egenskaper till skummaterialen. Genom att variera beläggningens sammansättning, dess tjocklek eller porstorlek, teamet kan skräddarsy skum för att möta olika applikationsbehov. Till exempel, nanobeläggning av gitterstrukturen med öppna celler med nickel ger särskilt starka skum, med koppar uppvisar skummaterialet hög värmeledningsförmåga, med silver har de goda antibakteriella egenskaper, och med guld är skummet mycket dekorativt. Forskargruppen Saarbrücken, som inkluderar studenter och doktorander, arbetar vidare med att optimera både produktionsprocessen och själva materialet.

För att underlätta den kommersiella och industriella tillämpningen av deras forskningsresultat, Saarbrücken-forskarna har inlett ett pilotprojekt för tekniköverföring tillsammans med Saarlands universitets kontor för kunskap och teknologiöverföring (KWT) och de externa start-up-partnerna Dr. Andreas Kleine och Michael Kleine, och har etablerat företaget Mac Panther Materials GmbH med huvudkontor i Bremen. Både Dr. Jung och professor Diebels har en andel i det nya företaget liksom Saarlands universitets kunskaps- och tekniköverföringsföretag WuT.