Materialwissenschaft: Ein neues Glas, das härter als Eisen ist
Eine Forschungsgruppe hat ein äußerst robustes Material mit extrem geringer Dichte entwickelt(öffnet im neuen Fenster) , indem sie eine Struktur aus DNA konstruiert und sie anschließend mit Glas beschichtet hat. Die Wahl von Glas als robustes Material scheint auf den ersten Blick merkwürdig. Dabei kann ein makelloser Kubikzentimeter Glas einem Druck von zehn Tonnen standhalten.
Eisen kann dagegen nur einen Druck von sieben Tonnen Druck pro Quadratzentimeter aushalten. Dafür ist Eisen sehr dicht und schwer. Seinen schlechten Ruf verdankt Glas einem Fehler in seiner Struktur.
Wenn es einen Kratzer oder Riss aufweist oder ein Atom fehlt, kann Glas zerspringen. Es ist also sehr schwierig, ein großes Stück Glas ohne Makel herzustellen. Dafür lassen sich relativ leicht kleine fehlerhafte Stücke herstellen.
Solange das Glas weniger als einen Mikrometer dick ist, ist es fast immer fehlerfrei. Und da die Dichte von Glas viel geringer ist als die von Metallen und Keramiken, sollten alle Strukturen aus fehlerfreiem Glas in Nanogröße stark und leicht sein, so die Idee des Forschungsteams.
So schuf das Team dieses stabile Material
Das Team schuf eine Struktur aus sich selbst zusammensetzender DNA. Anschließend wurde das DNA-ähnliche Grundgerüst mit einer sehr dünnen Schicht aus glasartigem Material bestrichen. Diese Schicht war nur wenige hundert Atome dick. Das Glas umhüllte die DNA-Stränge nur knapp und ließ einen großen Teil des Materialvolumens als Leerraum zurück, ähnlich wie die Räume in einem Haus oder Gebäude.
Das DNA-Skelett verstärkte die dünne, makellose Glasschicht und machte das Material sehr stabil. Durch die Leerräume, die den größten Teil des Volumens ausmachen, ist es zudem leicht – fast wie die röhrenartigen Knochen eines Vogels. Die Glas-Nanogitter-Strukturen waren dadurch viermal fester, aber fünfmal dichter als Stahl. Es sei das erste Mal, dass diese ungewöhnliche Kombination aus geringem Gewicht und hoher Festigkeit erreicht wurde, erklärt das Forschungsteam.
Die Studie und ein Ausblick
Das Team arbeitet derzeit mit der gleichen DNA-Struktur, ersetzt das Glas aber durch noch stärkere Karbidkeramik. Die Forscher wollen mit verschiedenen DNA-Strukturen experimentieren, um das Material noch stärker zu machen.
Die Studie wurde am 19. Juli 2023 im Fachmagazin Cell Reports Physical Science publiziert und heißt High-strength, lightweight nano-architected silica(öffnet im neuen Fenster) (Hochfestes, leichtes Siliziumdioxid mit Nano-Architektur).