Nanostruktur und Doppelschicht verleihen Metallstrukturen "unkaputtbaren" Auftrieb Forscher erzeugen "unsinkbares" Metall - scinexx | Das Wissensmagazin
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Forscher erzeugen „unsinkbares“ Metall

Nanostruktur und Doppelschicht verleihen Metallstrukturen "unkaputtbaren" Auftrieb

Metall schwimmend
Diese Metallstrukturen sind dank einer Nanostruktur und raffinierter Schichtung quasi "unsinkbar". © Guo Lab/ University of Rochester

„Unkaputtbarer“ Auftrieb: US-Forscher haben eine Struktur entwickelt, die Metalle unsinkbar macht. Selbst wenn sie unter Wasser gedrückt werden, steigen sie wieder auf. Möglich wird dies durch eine per Laser eingravierte Nanostruktur, kombiniert mit einem zweischichtigen Aufbau, wie die Wissenschaftler berichten. Das „unsinkbare“ Metall könnte künftig für Schiffe, Bojen oder auch schwimmende Sensoren eingesetzt werden.

Metalle sind schwerer als Wasser und sinken deshalb normalerweise. Will man sie zum Schwimmen bringen, muss man sie zu luftgefüllten Hohlräumen formen, wie beim Rumpf eines Schiffes und U-Boots oder sie mit Auftriebskörpern versehen, wie bei schwimmenden Messbojen üblich. Doch es gibt ein Patent der Natur, das eine einfachere Lösung bietet: Feuerameisen, Wasserspinnen und auch Wasserläufer nutzen Nanostrukturen, um ihre Füße oder Körperoberflächen extrem wasserabweisend zu machen. Dadurch verhindern sie das Benetztwerden und behalten eine dünne, auftriebsfördernde Luftschicht zwischen ihrem Körper und dem Wasser.

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Selbst wenn die Metallstruktur durch Gewichte zum Untertauchen gezwungen wird, steigt es wieder auf, sobald das Gewicht entfernt wird. © Guo Lab/ University of Rochester

Schon vor einigen Jahren haben Forscher um Chunlei Guo von der University of Rochester ähnliche, durch Lasergravur erzeugte Nanostrukturen genutzt, um Metalle extrem wasserabweisend zu machen. Dies macht die Metalloberflächen beständiger gegen Korrosion, reichte aber bisher nicht aus, um die Metallobjekte auch schwimmen zu lassen.

Nanostruktur fängt Luft ein

Jetzt haben die Forscher ihre Technik jedoch so weiterentwickelt, dass sie Metall damit sogar unsinkbar machen können. Die Idee dafür erhielten sie – wieder einmal – durch ein Vorbild aus der Natur: von der aus feinem Netz gesponnen „Taucherglocke“ der Wasserspinne Argyroneta aquatica. Diese Spinne nutzt die durch ihre superhydrophobe Netzfäden eingefangene Luft, um Auftrieb zu erzeugen.

Dieses Prinzip haben Guo und sein Team nun auf Metalle übertragen: Sie nutzten zunächst die Lasergravur, um die Metalloberfläche extrem wasserabweisend zu machen. Diese Oberfläche verbauten sie nun aber nicht so, dass sie nach außen zeigte, sondern sie kombinierten zwei gravierte Metallbleche zu einem Sandwich mit nach innen zeigenden Nanostrukturen.

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„Beispiellose Schwimmfähigkeit“

Der Clou dabei: Der Abstand zwischen beiden Metallblechen ist gerade so gering, dass die Nanostrukturen das Wasser verdrängen und ein schmaler luftgefüllter Hohlraum entsteht. Diese Luft reicht aus, um das Metallobjekt unsinkbar zu machen. Dank der superhydrophoben Wirkung der Nanostrukturen lässt sich diese Luft kaum verdrängen und bleibt daher selbst beim Untertauchen erhalten.

„Die Struktur zeigt eine beispiellose Schwimmfähigkeit“, berichten Guo und seine Kollegen. „Sie steigt selbst dann wieder an die Oberfläche, wenn sie monatelang zwangsweise untergetaucht worden ist.“ Auch Schäden und Löcher in den Metallblechen und damit in der Nanostruktur mindern den Auftrieb kaum, weil die Luft dennoch eingefangen bleibt, wie Tests ergaben.

So funktioniert das „unsinkbare“ Metall.© University of Rochester

Nutzbar für Schiffe, Bojen und Sensoren

Weil diese Technik bei allen Metallen funktioniert, sehen die Forscher zahlreiche praktische Anwendungen dafür: „Die Einsatzmöglichkeiten dieser superhydrophoben Metallstruktur reichen von Schwimmhilfen und dem Schutz elektronischer Ausrüstung bis zu Schiffen und anderen Wasserfahrzeugen“, sagen die Forscher. So könnten schwimmende Sensoren mit einer solchen wasserabweisenden Hülle nicht nur das Wasser von der Elektronik fernhalten, sondern auch zusätzliche Schwimmhilfen überflüssig machen.

Und im Gegensatz zur nur vermeintlich „unsinkbaren“ Titanic könnten diese Metallstrukturen künftige Schiffe vielleicht tatsächlich unsinkbar machen. (ACS Applied Materials and Interfaces, 2019; doi: 10.1021/acsami.9b15540)

Quelle: University of Rochester

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