Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Poren in geordneten Positionen

29.08.2006
Max-Planck-Wissenschaftler überziehen Aluminium rasch mit einer strukturierten Oxidschicht, die sich für nanotechnologische Anwendungen eignet

Ob Kochgeschirr, Fensterrahmen oder Karosserieteile - Aluminium macht viele Dinge leicht und stabil. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle haben jetzt ein neues Verfahren entwickelt, um das Metall mit einem schützenden Oxid-Mantel zu überziehen. Dabei nutzen sie die Vorteile zweier bereits bekannter Verfahren der elektrolytischen Oxidation von Aluminium (Eloxal-Verfahren). Sie geben der Oxidschicht mit der neuen Methode nicht nur eine sehr geordnete Porenstruktur, sondern lassen die Poren auch sehr rasch wachsen. Die herkömmlichen Eloxal-Verfahren liefern entweder geordnete Strukturen oder waren schnell. Der neue Prozess eignet sich, um Produkte der Hochtechnologie wie photonische Kristalle oder gezielt Nanostrukturen herzustellen. (Nature Materials advanced online publication 20. August 2006)


(a) Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Aluminiumoxid. Das weiche Eloxal-Verfahren (MA - linke Spalte) liefert feinere Poren als die harte Anodisierung (HA - rechte Spalte), das die Hallenser Wissenschaftler entwickelt haben. In der oberen Reihe ist die hexagonale Anordnung der Poren deutlich zu erkennen. Die unteren Aufnahmen des Querschnitts zeigen, wie dick die Membran sind. (b) Querschnittsaufnahme einer Aluminiumoxid-Membran: Hier haben die Wissenschaftler den Porenduchmesser beeinflusst, indem sie bei der Elektrolyse die Spannung variierten. Bild: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik

Egal wo uns Aluminium im Alltag begegnet, das Metall hat wahrscheinlich immer dasselbe mitgemacht: bis zu einer halben Stunde Elektrolyse bei mehr als 70 Volt in fünf bis zehn prozentiger Schwefelsäure. Die Prozedur macht den Werkstoff hart und imprägniert ihn mit einer Schicht aus Aluminiumoxid. Der Oxid-Mantel ist zwischen 5 und 25 Mikrometer dick und verhindert, dass weiterer Sauerstoff das Metall zersetzt. Die Methode, die schnell wirkt und preiswert ist, bezeichnen Materialwissenschaftler als hartes Eloxal-Verfahren oder harte Anodisierung (HA).

"Wir haben den HA-Prozess jetzt so abgewandelt, dass wir Oxidschichten mit regelmäßig angeordneten Poren erzeugen", sagt Woo Lee, der maßgeblich dazu beigetragen hat, den Prozess zu entwickeln. Eine geordnete Oxidschicht verspricht viele Anwendungen in der Nanotechnologie, während eine ungeordnete Oxidschicht gerade einmal Fensterrahmen und Karosserien gegen Korrosion imprägnieren kann. "Mit unserem Verfahren können wir auch photonische Kristalle züchten, mit denen die Optoelektronik arbeitet", so Woo Lee. Oder Materialwissenschaftler nutzen solche Strukturen, um darauf geordnet Nanodrähte wachsen zu lassen. "Unsere Methode ist für eine technische Anwendung sehr interessant, weil die Oxidschicht dabei in weniger als einer Stunde auf 50 Mikrometer anwächst", sagt Kornelius Nielsch, der die Arbeitgruppe leitet, die das neue Verfahren entwickelt hat. So schnell also wie im herkömmlichen HA-Prozess mit Schwefelsäure, der jedoch nur ungeordnete Porenstrukturen liefert.

Damit sich die Poren zu einem regelmäßigen Muster anordnen, füllen die Forscher Oxal- statt Schwefelsäure in die Elektrolysezelle. Dann legen sie für fünf bis zehn Minuten 40 Volt an und fahren die Spannung dann auf über 110 Volt hoch. Da sich die Elektrolysezelle dabei stark aufheizt, haben sie eine spezielle Kühlung entworfen. In einem Prozess, den Physiker als Selbstorganisation bezeichnen, ordnet sich die Poren des Aluminiumoxid in einer hexagonalen Struktur an, die an eine Bienenwabe erinnert. Dabei ist jede Pore regelmäßig von sechs weiteren umgeben.

Unter milderen Bedingungen, vor allem mit sehr viel niedrigerer Spannung, lassen sich solche geordneten Strukturen schon seit ca. 10 Jahren produzieren. Diese weichen Anodisierungs-(MA)-Verfahren brauchen allerdings Tage, um Oxidschichten zu erzeugen, deren Dicke technisch relevant ist. Mit dem neuen Verfahren haben die Wissenschaftler den Prozess nicht nur drastisch beschleunigt. Sie haben auch Poren in einem Abstand von 200 bis 300 Nanometern gezüchtet - das war mit den bereits bekannten Verfahren nicht möglich. Indem sie die Spannung verändern, manipulieren die Wissenschaftler zudem den Durchmesser der Poren: So formen sie Kanälchen, die sich mal um einige Nanometer weiten und dann wieder verjüngen.

Noch ist nicht völlig klar, warum das Aluminiumoxid solche geordneten Strukturen bildet. Fest steht nur: Mit niedriger Spannung zu beginnen, schafft eine wenige Nanometer dicke Schutzschicht, die das System bei hohen Spannungen vor Kurzschlüssen schützt. Auch die Kühlung leistet einen wichtigen Beitrag. Denn die Hitze, die auch im herkömmlichen HA-Prozess frei wird, stört das geordnete Wachstum und reißt die Oxidschicht auf. Doch welche Kraft zwingt das Oxid in die regelmäßige Struktur? "Wir vermuten, dass die hohe Wachstumsrate das Aluminium unter enormen mechanischen Stress setzt, weil es sich dabei im Volumen ausdehnt", sagt Woo Lee: "Diesem Stress weicht das System vermutlich aus, indem sich die Poren so kompakt wie möglich anordnen. Dabei bildet das Aluminiumoxid selbst-organisiert eine Bienenwabenstruktur." Ganz ähnlich, wie sich Bälle in einer Ebene zu einer hexagonalen Struktur anordnen, wenn man sie möglichst dicht zusammenpacken möchte. Zu verstehen, wie sich die geordnete Struktur aus Aluminiumoxid bilden, ist nicht nur von akademischem Interesse: Erst wenn die Wissenschaftler den Prozess verstehen, können sie auch gezielt weitere harte Eloxal-Verfahren mit wesentlich kleineren Poren oder anderen Elektrolyten entwickeln.

Originalveröffentlichung:

Woo Lee, Ran Ji, Ulrich Gösele, Kornelius Nielsch
Fast fabrication of long-range ordered porous alumina membranes by hard anodization.

Nature Materials advanced online-publications, 20. August 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: ALUMINIUM Aluminiumoxid Eloxal-Verfahren Oxidschicht Poren Prozess

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Projekt CeGlaFlex: Hauchdünne, bruchsichere und biegsame Keramik und Gläser
24.04.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Löschbare Tinte für den 3-D-Druck
24.04.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie