Super-Nasofaser macht Flugzeuge leichter

US-Forscher haben eine Struktur-Nanofaser entwickelt, die dank ihres eigenen Aufbaus zugleich sehr stark und äußerst robust ist – zwei Eigenschaften, die Strukturwerkstoffe normalerweise nicht vereinen. Das Anwendungspotenzial erscheint gewaltig.

„Was immer auf Kompositen gefertigt wird, könnte von unseren Nanofasern profitieren“, so Yuris Dzenis, Professor für Maschinen- und Werkstofftechnik an der University of Nebraska-Lincoln (UNL). Der Universität zufolge wären leichtere Flugzeuge ebenso denkbar wie effektivere kugelsichere Westen.

Dünn macht robust

Dzenis und sein Team haben mit Nanofasern aus Polyacrylonitril gearbeitet, einem dem Acryl verwandten synthetischen Polymer. Umso dünner diese Fasern ausfallen, desto stärker werden sie, sie können somit mehr Last tragen. Doch das Team hat festgestellt, dass Nanofasern, die sie dünner gemacht haben als je zuvor, gleichzeitig auch robuster, also schwerer zu zerstören, geworden sind – ein unerwartetes Resultat, da sich diese beiden Eigenschaften bei Materialien normalerweise gegenseitig ausschließen.

Als Beispiel für diese Tatsache dienen der UNL ein Keramikteller und ein Gummiball. Ersterer ist zwar stark genug, einen ganzen Berg Essen zu tragen, zerbricht aber, wenn er herunterfällt – es mangelt also an Robustheit. Der Gummiball dagegen wird sofort zusammengedrückt, wenn jemand darauf steigt, geht aber nicht kaputt – er ist robust, nicht stark. Die neue Nanofaser dagegen vereint Stärke und Robustheit und ist Dzenis zufolge somit ein neues Material in einer bislang sehr kleinen Gruppe, der dieses Kunststück gelingt.

Amorphe Vielseitigkeit

Das Team ist der Ansicht, dass die Robustheit ihrer Nanofasern darin begründet liegt, dass sie eine geringe Kristallinität haben, also über weite Teile eine eher ungeordnete innere Struktur. In diesen amorphen Bereichen können sich Molekülketten relativ gut bewegen und dadurch mehr auf das Material einwirkende Energie aufnehmen, was die Fasern schwerer zu zerstören macht. Viele derzeit gängige Fasern haben dagegen wenig amorphe Bereiche und brechen vergleichsweise leicht.

Daraus ergibt sich für die Neuentwicklung Anwendungspotenzial unter anderem im Flugzeugbau. Denn oft wird das Bruchrisiko von Kompositmaterialien durch den Verbau von mehr Material kompensiert. „Wenn Strukturwerkstoffe robuster wären, könnte man die Produkte leichter und dennoch sicher machen“, so Dzenis.

Ein anderes potenzielles Anwendungsgebiet ist Schutzkleidung wie kugelsichere Westen. Denn diese müssen robust genug sein, dass ein Geschoss sie nicht durchschlägt – sollten aber auch stark genug sein, sich nicht zu verformen.