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Tragwunder Metallholz

Metallfolie mit poröser Struktur nach Holzvorbild ist extrem stabil

Metallholz
Dieser schimmernde Folienstreifen kann bis zu drei Kilogramm tragen – er besteht aus sogenanntem Metallholz. © University of Pennsylvania

Extrem stark und doch federleicht: Dieser farbig schimmernde Streifen ist dünner als eine Alufolie, kann aber das 50-Fache seines Eigengewichts tragen. Würde man ein Gewicht an diesen Folienbogen anhängen, würde er bis zu drei Kilogramm Last standhalten. Möglich wird dies, weil diese Folie aus „Metallholz“ besteht – einem porösen, aus feinsten Nickel-Nanoverstrebungen bestehendem Material.

Wenn es um Materialien mit einzigartigen Eigenschaften geht, ist die Natur der mit Abstand beste Erfinder. Im Laufe der Evolution haben Organismen immer wieder Strukturen entwickelt, die extrem stabil, aber gleichzeitig leicht und flexibel sind. Beispiele dafür sind Zähne, die Schalen vieler Meerestiere, aber auch das Holz der Bäume. Seine poröse Struktur, kombiniert mit ligninverstärkten Zellwänden verleiht ihm genügend Stabilität, um selbst die Last 100 Meter hoher Bäume zu tragen.

Metallholz: Porenstruktur nach Holzvorbild

Grund genug für Wissenschaftler, die Vorteile der porösen Holzstruktur auch auf andere Materialien zu übertrage. Hier im Bild zu sehen ist ein Streifen sogenanntes „Metallholz“ – ein aus Metall bestehendes Material, das ähnlich aufgebaut ist wie gewachsenes Holz. Konkret besteht das Metallholz aus regelmäßig angeordneten Nickelstreben im Nanomaßstab, die durch Hohlräume von 500 bis 800 Nanometer Größe getrennt sind. Diese Porenstruktur macht das Metallholz leicht, aber extrem stabil.

Der hier abgebildete Folienstreifen aus Metallholz ist dünner als eine haushaltsübliche Alufolie, kann aber das 50-Fache seines Eigengewichts tragen. Hängt man ein Gewicht von unten an den Bogen, hält die Folie die Last bis zu einem Gewicht von rund drei Kilogramm, bevor sie nachgibt. Eine weitere Besonderheit ist das farbige Schimmern des Metallholzes: Weil seine Poren sich im Größenbereich der Lichtwellenlängen bewegen, verursacht seine Porenstruktur besondere Interferenz-Phänomene. Diese erzeugen das irisierende Schimmern.

Vielfältige Anwendungen

Solche Streifen aus Metallholz lassen sich in verschiedenen Anwendungsbereichen nutzen – nicht nur dort, wo Tragkraft und Leichtigkeit gefragt sind, sondern auch für neuartige Sensoren, wie James Pikul von der University of Pennsylvania erklärt. Er und sein Team haben kürzlich eine neue Methode entwickelt, um Metallholz auch in größeren, dickeren Einheiten ohne Risse herstellen zu können.

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„Wir wollen aus diesen Materialien eine Reihe von zuvor unmöglichen Dingen herstellen, zusätzlich zu den Anwendungen, die wir schon nutzen: Membranen zur Trennung von Biomaterialien in der Krebsdiagnostik, schützenden Beschichtungen und flexiblen Sensoren“, so der Forscher. (Nature Materials, 2021; doi: 10.1038/s41563-021-01039-7)

Quelle: University of Pennsylvania

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