Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten

07.12.2017

Mit neuartigen Experimenten enträtseln Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Technischen Universität Hamburg, warum winzige Metallstrukturen extrem fest sind

Ultraleichte und zugleich extrem feste Werkstoffe – poröse Nanomaterialien aus Metall versprechen hochinteressante Anwendungen unter anderem für künftige Flugzeuge, energieeffiziente Autos und sicherere Industrieanlagen. Wie die bemerkenswerten Eigenschaften der Nanoteilchen im Detail zustande kommen, war bislang noch nicht genügend verstanden.


Modell von nanoporösem Gold, zigtausendfach vergrößert und im 3-D-Drucker hergestellt. Gut zu erkennen: Das schwammartige Netzwerk der Nanodrähte.

HZG/Rasmus Lippels.

Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) und der Technischen Universität Hamburg (TUHH) konnten nun dank neuartigen experimentellen Herangehensweisen herausfinden, was die Winzlinge so fest macht. Ihre Resultate wurden in zwei renommierten Fachzeitschriften veröffentlicht – in „Nano Letters“ sowie aktuell in „Nature Communications“. Die Ergebnisse könnten helfen, künftige Leichtbau-Materialien gezielter zu entwickeln.

Die Metallteilchen, mit denen sich die Forscher beschäftigen, sind extrem klein: Ihr Durchmesser beträgt gerade mal zwanzig Nanometer (millionstel Millimeter). Die Winzlinge zeigen faszinierende Eigenschaften. Unter anderem besitzen sie eine enorme Festigkeit. „Im Prinzip können diese Nanoteilchen tausendmal fester sein als gewöhnliche, zum Beispiel millimetergroße Metalle“, sagt Projektleiter Prof. Jörg Weißmüller.

Der Wissenschaftler leitet das Institut für Werkstoffphysik und Werkstofftechnologie an der TUHH sowie die Arbeitsgruppe "Hybride Materialsysteme" am Institut für Werkstoffforschung des HZG. „Das macht sie für künftige Anwendungen interessant.“ Aus solchen High-Tech-Materialien könnten sich künftig zum Beispiel leichtere und damit energieeffizientere Fahrzeuge bauen lassen.

Wie sich die Nanoteilchen im Detail verhalten, weiß die Fachwelt noch nicht sehr genau. Die meisten Erkenntnisse stammen aus Computersimulationen: Hierbei setzen die Experten Dutzende Atome zu virtuellen Metallklümpchen zusammen, mit denen sie in Supercomputern dann regelrechte Versuche durchführen. Zwar liefern diese Computerexperimente spannende und plausible Resultate.

Experimentelle Überprüfungen aber stehen zumeist noch aus. Der Grund: Es ist überaus schwierig, die mechanischen Eigenschaften von Nanoteilchen zu untersuchen. Die klassischen Prüfmaschinen der Werkstoffforschung sind dafür nicht geeignet – wuchtige Pressen mit oberschenkeldicken Streben.

Weißmüller und seinen Kollegen ist es gelungen, einen raffinierten Versuchsaufbau zu entwickeln – ein mechanisches Prüfverfahren für Nanoteilchen. Der Trick: Sie verknüpfen Abermilliarden von Gold-Nanoteilchen zu einem porösen, schwammartigen Netzwerk, bestehend zu einem Viertel aus Metall und zu drei Vierteln aus Luft. Aus diesem nanoporösen Gold lassen sich millimetergroße Probenzylinder fertigen – groß genug, um sie mit einer Prüfmaschine zu testen: Von oben drückt ein Stempel auf den Zylinder.

Dabei werden sämtliche Nanoteilchen gleichzeitig verformt, woraus die Experten anschließend auf das Verhalten der einzelnen Teilchen schließen können. Außerdem ist die Probe in eine als Elektrolyt fungierende Säurelösung getaucht, und es lässt sich eine elektrische Spannung anlegen. Dadurch können die Forscher die für den Nanokosmos so wichtigen Oberflächenphänomene gezielt beeinflussen und zum Teil sogar wiederholt an- und abschalten.

„In einem Fall konnten wir mit unseren Experimenten erstmals die Resultate der Computersimulationen bestätigen“, sagt Weißmüller. „In einem anderen Fall konnten wir zeigen, dass es ganz anders ist als gedacht.“ In ihrem Artikel in „Nano Letters“ konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass wie vermutet die Prozesse an der Oberfläche des Nanoteilchens entscheidend zur enormen Festigkeit beitragen.

Der Grund: Bei einem großen, makroskopischen Körper stecken die allermeisten Atome im Inneren des Kristalls, nur ein winziger Bruchteil befindet sich an der Oberfläche. Bei einem Nanoteilchen dagegen sitzt ein relativ großer Teil der Atome an der Oberfläche. Dadurch werden Oberflächeneffekte bestimmend für die mechanischen Eigenschaften. Ebendies konnten die HZG-Wissenschaftler nun in ihrem Versuch zeigen, indem sie bestimmte Oberflächeneffekte mithilfe experimenteller Tricks abschwächen und sogar abschalten konnten.

In ihrer aktuellen Veröffentlichung in „Nature Communications“ gelang es den Fachleuten, die Art der Oberflächeneffekte näher zu beleuchten und den Einfluss zweier verschiedener Phänomene zu bestimmen. „Hierbei erlebten wir eine Überraschung“, sagt Weißmüllers Kollegin Dr. Nadiia Mameka. „Unsere Ergebnisse haben die Aussagen der Computerexperimente widerlegt.“ Demnach ist es nicht wie angenommen die zwischen den Oberflächenatomen wirkende Kraft, die die mechanischen Eigenschaften der Nanoteilchen bestimmt. „Stattdessen dürfte die in der Oberfläche steckende Energie für die Festigkeit verantwortlich sein“, erklärt Mameka. „Das ist neu und völlig unerwartet.“

Künftig könnten solche Erkenntnisse helfen, neuartige Materialien auf Nanobasis zu entwickeln – hochinteressant etwa für den Leichtbau, aber auch für Werkstoffe mit eingebauten Sensoreigenschaften. „Indem wir die grundlegenden Eigenschaften dieser Nanoteilchen besser verstehen“ betont Jörg Weißmüller, „können wir künftige Werkstoffe gezielter entwickeln.“

Die Veröffentlichungen:

Nature Communications: DOI: 10.1038/s41467-017-01434-2.

Nano Letters,
DOI:10.1021/acs.nanolett.7b02950 Nano Lett. 2017, 17, 6258 − 6266

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/ncomms Veröffentlichung bei Nature Communications
http://pubsdc3.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.7b02950 Nano Letters

Dr. Torsten Fischer | Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
17.04.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Neues Material macht Kältemaschinen energieeffizienter
10.04.2018 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Im Focus: Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden

Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen. Ein gigantischer Gammastrahlungsblitz wird hier durch die Wechselwirkung eines dichten ultra-relativistischen Elektronenstrahls mit einem dünnen leitenden Festkörper erzeugt. Die reichliche Produktion energetischer Gammastrahlen beruht auf der Aufspaltung des Elektronenstrahls in einzelne Filamente, während dieser den Festkörper durchquert. Die erreichbare Energie und Intensität der Gammastrahlung eröffnet neue und fundamentale Experimente in der Kernphysik.

Die typische Wellenlänge des Lichtes, die mit einem Objekt des Mikrokosmos wechselwirkt, ist umso kürzer, je kleiner dieses Objekt ist. Für Atome reicht dies...

Im Focus: Gamma-ray flashes from plasma filaments

Novel highly efficient and brilliant gamma-ray source: Based on model calculations, physicists of the Max PIanck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg propose a novel method for an efficient high-brilliance gamma-ray source. A giant collimated gamma-ray pulse is generated from the interaction of a dense ultra-relativistic electron beam with a thin solid conductor. Energetic gamma-rays are copiously produced as the electron beam splits into filaments while propagating across the conductor. The resulting gamma-ray energy and flux enable novel experiments in nuclear and fundamental physics.

The typical wavelength of light interacting with an object of the microcosm scales with the size of this object. For atoms, this ranges from visible light to...

Im Focus: Wie schwingt ein Molekül, wenn es berührt wird?

Physiker aus Regensburg, Kanazawa und Kalmar untersuchen Einfluss eines äußeren Kraftfeldes

Physiker der Universität Regensburg (Deutschland), der Kanazawa University (Japan) und der Linnaeus University in Kalmar (Schweden) haben den Einfluss eines...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Nachhaltige und innovative Lösungen

19.04.2018 | HANNOVER MESSE

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Auf dem Weg zur optischen Kernuhr

19.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics