Springende Keramiken

Bei der Abkühlung durchlaufen die ZrO2-basierten Formgedächtniskeramiken die Phasenumwandlung von einer tetragonalen zu einer monoklinen Kristallstruktur und zerfallen hier überraschenderweise (a). Der untere Teil (b) zeigt einen gelingende Umwandlung.
© Jascha Rohmer

Internationale Forschungskooperation zwischen Minnesota, Leipzig und Kiel findet Weg zu einem verformbaren Keramikmaterial.

Von der Kaffeetasse bis zur Badezimmerfliese gilt: Keramik ist zerbrechlich und das Material zerspringt beim Versuch, es zu verformen. Am anderen Ende des Materialspektrums stehen einige der am stärksten verformbaren Werkstoffe, die auch großen Spannungen aushalten, sogenannte Formgedächtnislegierungen. Diese Metalle werden dank ihrer enormen Verformbarkeit zum Beispiel als medizinische Stents eingesetzt. Wie sich verformbare Formgedächtnismaterialien auch aus Keramik herstellen lassen könnten, beschreibt das Forschungsteam um Professor Eckhard Quandt und Professor Lorenz Kienle von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), Professor Andriy Lotnyk vom Leibniz-Institut für Oberflächentechnik (IOM), Leipzig, sowie Professor Richard James von der University of Minnesota (UMN), USA, in einem Artikel, der heute (Mittwoch, 17.11.2021) im Fachmagazin Nature erschienen ist.

Der Weg zu einem verformbaren Keramikmaterial war für die Promovierenden Hanlin Gu (UMN), Justin Jetter und Jascha Romer (beide CAU) alles andere als geradlinig. Sie versuchten es zunächst mit einer Methode, die sich bei der Entwicklung neuer metallischer Formgedächtnismaterialien bewährt hat.

Bei einer Verformung durchlaufen diese Materialien verschiedene Phasen auf struktureller Ebene. Die Promovierenden wandelten nun die Zusammensetzung der Keramik ab, um so die Abstände zwischen den Atomen zu verändern und einen reibungslosen Übergang zwischen zwei Phasen zu ermöglichen.

Doch statt damit die Verformbarkeit des Materials zu verbessern, stellten sie fest, dass bei der Phasenumwandlung einige Proben in die Luft sprangen oder explodierten, andere zerfielen langsam zu einem Pulverhaufen.

Bei einer anderen Zusammensetzung konnten sie hingegen eine reversible Umwandlung beobachten, bei der das keramische Material problemlos zwischen Phasen hin- und herwechselt, ähnlich wie ein Formgedächtnismaterial. Die mathematischen Bedingungen, unter denen solch eine reversible Umwandlung auftritt, lassen sich breit anwenden und könnten einen Weg darstellen, um verformbare Formgedächtniskeramiken herzustellen, die zum Beispiel extremen Bedingungen besonders gut standhalten könnten.

„Das wäre eine völlig neue Art von Funktionsmaterial. Es besteht ein großer Bedarf an Formgedächtnisaktoren, die bei hohen Temperaturen oder in korrosiven Umgebungen funktionieren“, sagt Professor Richard James vom Department of Aerospace Engineering and Mechanics an der UMN. „Was uns aber am meisten begeistert, ist die Aussicht auf neue ferroelektrische Keramiken. Bei diesem Material kann die Phasenumwandlung genutzt werden, um aus kleinen Temperaturunterschieden, die dabei auftreten, Strom zu erzeugen.“

Das Team aus Kiel und Leipzig war für den experimentellen Teil der Forschungsarbeit und die chemische und strukturelle Untersuchung auf der Nanoskala verantwortlich. „Die Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Richard James war sehr wichtig, um unsere experimentellen Ergebnisse zu erklären. Ihre Theorie beschreibt das unerwartete Verhalten der extrem inkompatiblen Materialien und eröffnet einen Weg, um kompatible Formgedächtniskeramiken herzustellen“, sagt Eckhard Quandt, Professor für Anorganische Funktionsmaterialien an der CAU.

„Unsere Zusammenarbeit mit der Gruppe von Eckhard Quandt war außerordentlich produktiv“, bestätigt James, Angewandter Mathematiker und Material- und Ingenieurwissenschaftler. „Bei allen Überschneidungen bringt doch jede Gruppe eine Fülle von eigenen Ideen und Methoden ein, die unsere Möglichkeiten insgesamt erweitern.“

Das innovative Forschungsvorhaben wurde gefördert im Rahmen des Reinhart-Koselleck-Projektes „Kristallographisch kompatible keramische Formgedächtniswerkstoffe“ von Eckhard Quandt, das die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) von 2016-2021 mit insgesamt 1 Million Euro gefördert hat. Richard D. James wurde außerdem gefördert durch ein Mercator Fellowship der DFG und ein Vannevar Bush Faculty Fellowship des U.S. Department of Defense “Mathematical Design of Materials”.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Eckhard Quandt
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Arbeitsgruppe Anorganische Funktionsmaterialien
E-Mail: eq@tf.uni-kiel.de
Telefon: +49 431 880-6200
https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/afm/

Professor Richard D. James
University of Minnesota
Distinguished McKnight University Professor, Aerospace Engineering and Mechanics
E-Mail: james@umn.edu
Telefon: +1612-625-0706
https://dept.aem.umn.edu/~james/research/

Originalpublikation:

Exploding and weeping ceramics, Hanlin Gu, Jascha Rohmer, Justin Jetter, Andriy Lotnyk, Lorenz Kienle, Eckhard Quandt, Richard D. James, Nature (2021), 17.11.2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03975-5
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03975-5

Weitere Informationen:

http://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/196-keramik Link zur Meldung, inkl. Videos und Fotos
http://www.kinsis.uni-kiel.de Forschungsschwerpunkt „Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS“

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Eva Sittig Presse, Kommunikation und Marketing
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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