Nature Materials: Weltweit kleinstes Fachwerk vorgestellt

Glasartiger Kohlenstoff: höhere spezifische Festigkeit als andere Feststoffe

Bild: Jens Bauer, KIT

Das kleinste von Menschen gemachte Fachwerk haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in der Fachzeitschrift Nature Materials vorgestellt. Mit Strebenlängen von unter einem Mikrometer und Strebendurchmessern von 200 Nanometern sind seine Bauteile aus glasartigem Kohlenstoff rund einen Faktor fünf kleiner als vergleichbare sogenannte Metamaterialien. Durch die kleine Dimension werden bisher unerreichte Verhältnisse von Festigkeit zu Dichte erzielt. Anwendungen als Elektroden, Filter oder optische Bauteile könnten möglich werden(DOI: 10.1038/nmat4561).
Dr.-Ing. Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie, Erstautor der Studie, erklärte, dass Leichtbau-Werkstoffe wie Knochen und Holz überall in der Natur zu finden seien. Sie vereinten hohe Tragkraft und kleines Gewicht und seien so ein Vorbild für mechanische Metamaterialien für technische Anwendungen. Metamaterialien sind Stoffe, deren Struktur im Größenbereich von Mikrometern (millionstel Meter) gezielt so geplant und hergestellt werden, dass sie mechanische oder etwa optische Eigenschaften besitzen, die unstrukturierte Feststoffe prinzipiell nicht erreichen können. Beispiele sind Tarnkappen, die Licht, Schall oder Wärme um Objekte herumleiten, Materialien, die kontra-intuitiv auf Druck und Scherung reagieren (auxetisch) oder Leichtbau-Nanowerkstoffe, die hohe spezifische Stabilität aufweisen (Kraft pro Fläche und Dichte).
Für das nun vorgestellte stabile Fachwerk mit den weltweit kleinsten Strukturen nutzte Bauer zunächst die bewährte 3-D-Laserlithografie. Laserstrahlen härten computergesteuert die gewünschte mikrometergroße Struktur in einem Photolack aus. Die Auflösung des Verfahrens erlaubt es allerdings nur, Streben von rund 5-10 Mikrometer Länge und einem Mikrometer Durchmesser zu erstellen. Im anschließenden Schritt wird die Struktur mittels Pyrolyse geschrumpft und verglast. Damit wird erstmals bei der Herstellung mikrostrukturierte Fachwerke Pyrolyse genutzt: Das Objekt wird in einem Vakuum-Ofen Temperaturen von rund 900 Grad Celsius ausgesetzt, wodurch die chemischen Bindungen sich neuorientieren. Dabei entweichen alle Elemente aus dem Lack außer dem Kohlenstoff, welcher in seiner ungeordneten Form als Glaskohlenstoff in der geschrumpften Fachwerkstruktur zurückbleibt. Die gewonnenen Strukturen setzen die Forscher mit einem Stempel unter Druck und testeten so ihre Stabilität.
Für Prof. Oliver Kraft, Mitautor der Studie, zeigen die Ergebnisse, dass die Belastbarkeit des Fachwerks sehr nahe an der theoretisch möglichen und weit über der von unstrukturiertem, glasartigen Kohlenstoff liege. Diamant sei noch der einzige Feststoff, der eine höhere spezifische Stabilität aufweise.

 

Anzeige

 

Fachplanung: Leistungsfähige Erfahrung und ein überzeugendes Leistungsangebot

Analyse, Beratung und Konzeption:  Die Remmers Fachplanung steht für eine starke Verbindung aus Beratung und Konzeption auf dem stabilen Fundament höchster Produktkompetenz. Diese Kombination ist einzigartig am Markt und macht eine objektspezifische Beratung in höchster Qualität erst möglich.

Hochqualifizierte Experten unterstützen mit höchster Kompetenz bei Bauprojekte in den unterschiedlichsten Branchen und Märkten. Diese reichen von Industrie-, Wirtschafts- und Parkhausbauten über Abwasser- und Kanalisationsbauwerken bis hin zur Baudenkmalpflege. Individuelle Leistungen für individuelle Märkte

Weitere Infos, das remmers conulting concept und Systembroschüren gibt es hier!


Schutz vor Feuer, Gas und Wasser in kritischen Strukturen

MCT Brattberg aus Schweden ist seit 1950 spezialisiert auf feuerfeste und druckdichte Abschottungssysteme für Kabel- und Rohrverlegungen in Gebäuden...

Weiterlesen

BAU 2021 startet online durch – Tickets kostenfrei

Die BAU wird 2021 zur digitalen Plattform für Architektur, Materialen und Systeme. Von 13. bis 15. Januar präsentieren Aussteller ihre Produkte und...

Weiterlesen

Capmo launcht Template-Funktion

Das Münchner Software-Startup Capmo erweitert seine automatische Berichtsfunktion um individuelle Vorlagen und macht die digitale Baudokumentation...

Weiterlesen

Software „Brandschutzordnung 2020“

Die Software „Brandschutzordnung 2020“ unterstützt Sicherheitsfachkräfte oder Brandschutzbeauftragte von Unternehmen, Geschäftsführer oder...

Weiterlesen

Boden für Flucht- und Rettungswege

Bodenbeschichtungen für Flucht- und Rettungswege müssen in der Regel die Baustoffklasse „nicht brennbar“ erfüllen und rutschhemmend sein, zudem...

Weiterlesen

Qualitätsmanagement in der Gebäudetechnik

Die Komplexität der technischen Systeme in Gebäuden, insbesondere der Gebäudeautomatisierung, hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Dies...

Weiterlesen

Ansaugrauchmelder für extreme Anwendungen

Ansaugrauchmelder sind besonders empfindlich und detektieren Brände frühestmöglich. Mit dem speziellen „Heavy Duty“-Sortiment von Securiton...

Weiterlesen

Emissionsfreie und wirksame Fassadenreinigung

„Frische“ Luft ist für historische Fassaden weltweit gefährlich. Denn über die Jahre hinweg belastet die Luft diese mit Schwermetallen, Staub- und...

Weiterlesen

Brandschutz in Büro- und Verwaltungsgebäuden

Welche Anforderungen müssen bei der Planung von Büro- und Verwaltungsgebäuden erfüllt werden? Anhand von Praxisbeispielen werden die häufigsten und...

Weiterlesen