TU-Institut schmiedet kleinstes Werkteil der Welt

1000 mal kleiner als ein Salzkorn ist das Nanoteilchen, dass Professor Joachim Rösler, Leiter des Instituts für Werkstoffe der Technischen Universität Braunschweig, mit seinen Mitarbeitern Jana Schloesser und Dr. Debashis Mukherji geschmiedet hat. Nanoschmieden ist eine neue Herstellungs- und Bearbeitungstechnik im Nanobereich. Die winzigen Schmiedeblöcke werden mit einem Hammer und einem Amboss umgeformt. Ein Schmiedeblock in der Größe von 500 Nanometer lässt sich zurzeit etwa auf eine Größe von 100 Nanometer umschmieden. Zukünftige Einsatzgebiet sind zum Beispiel Nanoroboter in der Medizintechnik.

Ausgangsmaterial für die Schmiedeblöcke sind Hochtemperaturwerkstoffe, die aus einer Nickelbasissuperlegierung bestehen. Sie bilden kleine Quader, die mit einer Matrix verbunden sind. Nach dem Wegätzen der Matrix entstehen kleine Schmiedeblöcke, die alle unterschiedliche Größen und ein anderes Volumen haben.

Die Schmiedeblöcke werden mit einem Hammer und einem Amboss umgeformt, genau wie beim Freiformschmieden. Ein Schmiedeblock in der Größe von 500 Nanometer lässt sich etwa auf eine Größe von 100 Nanometer umschmieden. Bislang waren die kleinsten Schmiedestücke im Bereich von einem Mikrometer groß. Zum Größenvergleich: Ein Salzkorn ist etwa 1/2 Millimeter groß. Der Schmiedeblock ist Faktor 1.000 in der Kantenlänge kleiner. In ein Salzkorn passen eine Milliarde Schmiedeblöcke. Die Salzkörnern und Schmiedeblöcke haben äußerlich große Ähnlichkeit: Beide haben eine kubische Kristallstruktur und sehen deshalb wie kleine Würfelchen aus.

Obwohl die Schmiedeblöcke aus Hochtemperaturmaterial bestehen, das an sich eine hohe Festigkeit aufweist, verändern die kleinen Quader ihre Eigenschaften und lassen sich auch bei Raumtemperatur extrem umformen.

Der Amboss besteht aus einer Siliziumplatte darauf wird der Schmiedeblock mittels einer Wolframnadel abgelegt und mit einem Hammer unter dem Rasterelektronenrastermikroskop bearbeitet und umgeformt. „Wir befinden uns bei der Bearbeitung noch im Mittelalter des Freihandschmiedens“, so Prof. Rösler. „Zurzeit können nur einfache Formen geschmiedet werden, aber das Entwicklungspotenzial ist enorm.“

Als nächstes arbeiten die Wissenschaftler an komplexeren geometrischen Formen, die zum einen durch Erwärmen des Schmiedeblocks auf einer Heizplatte erreicht werden sollen und zum anderen durch Gesenkschmieden, das heißt im Gegensatz zum Freihandschmieden wird das Schmiedestück von den gegeneinander bewegten Formwerkzeugen, den Gesenken, umschlossen. Beim Nanoschmieden bedeutet dies, dass die Siliziumplatten durch Ionenstrahlen konturiert werden, um komplexere Geometrien herstellen zu können. „Unser Ziel ist es, nanogroße, hochkomplexe Bauteile für Werkzeuge und Maschinen in Mikrogröße herzustellen“, formuliert Prof. Rösner die Herausforderung der nächsten Jahrzehnte.

Zum Beispiel könnte mit Ionenstrahlen aus einer Scheibe ein Zahnrad geschnitten werden. Einsatzgebiet ist zum Beispiel die Medizintechnik. „Wenn die Technik des Nanoschmiedens im 21. Jahrhundert angelangt ist, könnten unter anderem Fräsen für verkalkte Arterien hergestellt werden oder Nanoroboter, die in Arterien aufräumen und verschiedene Arbeiten im Körper verrichten“, formuliert Prof. Rösler zukünftige Einsatzgebiete.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Joachim Rösler
Institut für Werkstoffe
Technische Universität Braunschweig
Tel.: 0531/391-3061
E-Mail: j.roesler@tu-braunschweig.de