Så lätt som möjligt och så starkt som möjligt på samma gång:Detta är kraven på moderna lättviktsmaterial, som de som används inom flygplanskonstruktion och bilindustrin. Ett forskarlag från Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) och Hamburgs tekniska universitet (TUHH) har nu utvecklat en ny materialdesignstrategi för framtida ultralätta material:Nanometerstora metallstag som bildar kapslade nätverk på separata hierarkiska nivåer ger fantastisk styrka.

Forskargruppen presenterar sina resultat i det aktuella numret av tidskriften Vetenskap .

När Eiffeltornet invigdes 1889, det ansågs vara ett tekniskt under. Dess listiga och känsliga arrangemang av stora och små järnbalkar gav extraordinär stabilitet, och det var världens högsta byggnad vid den tiden på långa vägar. Termen "hierarkisk" beskriver det tekniska tillvägagångssättet för en öppen array av större balkar som stärks av mindre. Sedan flera år tillbaka, materialvetenskapsforskare har försökt överföra detta effektiva tillvägagångssätt till materials interna mikrostruktur, till exempel, genom att använda 3-D-skrivare som kan replikera tekniska fackverksstrukturer i mikrometerskala.

Än så länge, förhoppningarna om att skapa en ny generation av extremt starka lätta byggmaterial har inte uppfyllts. En av anledningarna:"En 3D-skrivare kan bara skriva ut högst ungefär 10, 000 strålar, och det kommer att ta timmar, " säger professor Jörg Weißmüller från Institutet för materialmekanik vid HZG, medförfattare till den aktuella publikationen. "För praktiska tillämpningar, det här är inte riktigt ett hållbart alternativ."

Korroderar bort silver

Ändå, hans team strävar efter ett ännu mer ambitiöst mål:om strålar kunde stärkas genom att minska till några nanometer i diameter, de skulle kunna utgöra grunden för en ny typ av material – exceptionellt lätt, och på samma gång, stark. Dock, denna typ av material skulle behöva innehålla biljoner balkar, långt över kapaciteten hos även den mest sofistikerade skrivaren. "Det är därför vi måste lura naturen att göra den här typen av material åt oss, helt enkelt genom självorganisering, " Weißmüllers kollega Dr. Shan Shi, huvudförfattare till studien, förklarar.

Som en början, laget använde en legering av 93 % silver och 7 % guld. Denna legering doppas i utspädd svavelsyra, löser ut ungefär hälften av silvret. Som ett resultat, det återstående materialet ordnar om sig själv, bildar ett känsligt nätverk av strålar i nanoskala. Efteråt, materialet genomgår en värmebehandling vid flera hundra grader. "Detta förgrovar nätverket till en strålstorlek på 150 nanometer samtidigt som den ursprungliga arkitekturen bibehålls, " Shi förklarar.

Under det sista steget, syra används för att tvätta ut resten av silvret, lämnar endast guldbalkar med en porstorlek på 15 nanometer i genomsnitt. Resultatet är ett hierarkiskt strukturerat material med två distinkt olika strålstorlekar, inte olikt Eiffeltornet. Som ett resultat av dess öppna nätverksstruktur, detta nya material består av 80 till 90 % luft, ger den en densitet på endast 10 till 20 % av den fasta metallen.

Otroligt lätt, fantastiskt stark

Forskargruppen testade sedan de mekaniska egenskaperna hos sina millimeterstora prover. "Med tanke på detta materials låga densitet, den visar exceptionellt höga värden för viktiga mekaniska parametrar som hållfasthet och elasticitetsmodul, " säger Jörg Weißmüller. "Vi har tagit bort mycket av massan och lämnat väldigt lite, men materialet är mycket starkare än vad som har varit den senaste tekniken fram till nu." han sa, visar för första gången att en hierarkisk struktur kan vara fördelaktig inte bara för makroskopiska tekniska fackverksstrukturer som Eiffeltornet, men också för lätta nätverksmaterial.

Det nya materialet är ännu inte lämpligt för applikationer i lättviktskonstruktioner – guld är helt enkelt för dyrt, för tung och för mjuk för det ändamålet. Än, det nya tillvägagångssättet för materialdesign från HZG kan tänkas överföras till andra, mer tekniskt relevanta metaller som aluminium, magnesium eller titan. Forskarna måste sedan möta en annan utmaning:Hittills, de har bara kunnat tillverka små, millimeterstora prover. "Men det verkar fullt möjligt att tillverka trådar eller till och med hela metallplåtar genom vår process, " säger Weißmüller. "Vid den tidpunkten, materialet kommer att bli intressant i verkliga scenarier, till exempel, i nya koncept för fordon som är lättare och därför mer energieffektiva."