Institut für Werkstoffforschung
Funktionale Werkstoffsysteme

Funktionale Materialien

Forschung an funktionalen Materialien

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Nanoporöses Gold könnte als Sensor dienen. Foto: HZG

Der Rumpf eines Flugzeugs, die Karosserie eines Pkw, das Gehäuse eines Computers – in all diesen Fällen dienen Werkstoffe vor allem dazu, für Form, Stabilität und Festigkeit zu sorgen. Doch es gibt auch Materialien, die bestimmte Funktionen übernehmen können, die zum Beispiel leuchten, messen oder sich selber reparieren. An diesen funktionalen Materialien arbeitet das Helmholtz-Zentrum Geesthacht im Rahmen unterschiedlicher Projekte.

So sind HZG-Fachleute am Sonderforschungsbereich (SFB) „Maßgeschneiderte multiskalige Materialsysteme“ beteiligt, gemeinsam mit Experten der Technischen-Universität Hamburg sowie der Universität Hamburg. Im Fokus stehen Werkstoffe, die eine grundsätzlich andere Struktur als herkömmliche Materialien zeigen.

Multiskalige Systeme aus Nanobausteinen

Ein Metall beispielsweise setzt sich in der Regel aus mikrometergroßen Kristalliten zusammen. Die neuen Werkstoffe hingegen besitzen zumeist eine winzige Nanostruktur – Grundelemente in der Größenordnung von millionstel Millimetern. Diese Nanobausteine sind zu größeren Einheiten zusammengesetzt. Diese Einheiten wiederum bilden noch größere Konglomerate, aus denen dann das eigentliche Material besteht. Da sich die inneren Strukturen über mehrere Größenskalen erstrecken, spricht man von multiskaligen Systemen, meist gekennzeichnet durch einen hierarchischen Aufbau.

Metalle wie ein Schwamm

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Foto: HZG/Christian Schmid

In einem der Projekte dienen harte Keramikkügelchen als Grundelemente. Umgeben sind sie von mikroskopisch kleinen, weichen Kunststoffhüllen. Die Idee: Gelingt es, beide Substanzen geschickt in einem hierarchischen Aufbau zu verknüpfen, käme ein Material mit bemerkenswerten Eigenschaften heraus: Es wäre hart und kratzfest wie eine Keramik, doch gleichzeitig verformbar und stoßfest wie ein Metall. HZG-Forscher erkunden solche Materialsysteme mithilfe theoretischer Modelle und ausgefeilter Computersimulationen.

Interessant sind auch schwammähnliche Metallstrukturen. Sie besitzen zahllose nanometerkleine Poren und könnten als Sensor dienen. Das Prinzip: Lastet eine mechanische Spannung auf dem Material, erfolgt eine elektrische Veränderung der Oberflächenspannung, was sich präzise erfassen und auswerten lässt. Die HZG-Forscher stellen diese Metallschäume mittels der elektrochemischen Korrosion her. Zunächst tauchen sie ein Metallstück zum Beispiel aus einer Gold-Silber-Legierung in eine Säure. Dann schicken sie elektrischen Strom durch das Metall, sodass das Silber aus der Legierung herauskorrodiert. Das verbleibende Gold formt ein poröses Metallstück mit komplexen Nanostrukturen. Für den Signaltransport braucht es dann größere Kanäle. Um sie in den Schaum zu bringen, folgt ein zweiter Korrosionsprozess.

Selbstheilung bei Werkstoffen

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Foto: Fotolia/Paylessimages

Interessant sein könnte das neue Sensormaterial für den Flugzeugbau. Als dünne Schicht auf die Flugzeughaut aufgetragen könnte es überwachen, wie stark der Jet während des Betriebs mechanisch belastet wird. Da in Bereichen mit hohen Belastungen Ermüdungsrisse auftreten können, würde man sie bei den regelmäßigen Inspektionen besonders sorgfältig unter die Lupe nehmen.

Außerdem forschen die Wissenschaftler an einer weiteren Innovation – Materialien, die sich bei geringfügigen Defekten selbst heilen können. Ein Beispiel sind spezielle Polymerbeschichtungen für Magnesiumbauteile. Sie enthalten Moleküle, die als Nanocontainer fungieren und eine kleine Menge an Korrosionsschutzmittel enthalten. Sollte es irgendwann zu einer Schädigung kommen, etwa zu einem Riss an der Oberfläche, würden die Container aufplatzen und das Korrosionsschutzmittel freigeben – etwa eine Substanz, die Eisenionen einfängt und dadurch das Rosten unterbindet.