Karlsruhe – Deutsche Wissenschafter haben das kleinste von Menschen gemachte Fachwerk konstruiert. Mit Strebenlängen von unter einem Mikrometer und Strebendurchmessern von 200 Nanometern sind seine Bestandteile aus glasartigem Kohlenstoff fünfmal kleiner als vergleichbare sogenannte Metamaterialien. Durch diese winzigen Dimensionen werden bisher unerreichte Verhältnisse von Festigkeit zu Dichte erzielt, was Anwendungen als Elektroden, Filter oder optische Bauteile möglich macht.

"Leichtbau-Werkstoffe wie Knochen und Holz findet man überall in der Natur", erklärt Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Erstautor der in der Fachzeitschrift "Nature Materials" präsentierten Studie. "Sie vereinen hohe Tragkraft und kleines Gewicht und sind so ein Vorbild für mechanische Metamaterialien." Gemeint 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 herum leiten, Materialien, die kontra-intuitiv auf Druck und Scherung reagieren (auxetisch) oder Leichtbau-Nanowerkstoffe, die hohe spezifische Stabilität aufweisen (Kraft pro Fläche und Dichte).

Pyrolyse schrumpft die Struktur

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 neu orientieren. 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.

Bis an die theoretischen Grenzen belastbar

"Die Ergebnisse zeigen, dass die Belastbarkeit des Fachwerks sehr nahe an der theoretisch Möglichen und weit über der von unstrukturiertem glasartigem Kohlenstoff liegt", berichtet Oliver Kraft, Mitautor der Studie. "Diamant ist noch der einzige Feststoff, der eine höhere spezifische Stabilität aufweist."

Mikrostrukturierte Materialien dienen oft zur Isolation oder als Stoßdämpfer. Offenporige Stoffe können als Filter in der chemischen Industrie genutzt werden. Metamaterialien haben auch außergewöhnliche optische Eigenschaften, die in der Telekomunikation eingesetzt werden können. Glaskohlenstoff ist ein hochtechnologischer Werkstoff aus reinem Kohlenstoff, der glasartige keramische Eigenschaften mit denen des Graphits vereint. Er ist als Werkstoff in Elektroden von Batterien oder Elektrolyseanlagen interessant. (red, 2.2.2016)