Nanoarchitektur: Forscher entwickeln leichtes, superstabiles Material

Das Material widersteht einem Beschuss mit überschallschnellen Projektilen. Bisher existiert der mögliche Kevlar-Nachfolger aber nur im Nanomaßstab.

Artikel veröffentlicht am 25. Juni 2021, 18:24 Uhr, Werner Pluta

Nanomaterial nach Beschuss (Bild: MIT/Caltech/ETHZ)

Nanoarchitektur statt Spinnwebfäden: Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETHZ), des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des California Institute of Technology (Caltech) haben ein neuartiges, hochfestes Material entwickelt. Es könnte Kevlar als Material für schusssichere Westen ablösen.

Ein nanoarchitektonisches Material ist aus Strukturen im Nanometer-Bereich aufgebaut. In diesem Fall besteht die Struktur aus Kohlenstoffstreben.

Je nach Anordnung der Strukturen erhält ein solches Material bestimmte Eigenschaften wie ein sehr geringes Gewicht oder ein hohe Elastizität. Solche Materialien könnten besonders schlagfeste Werkstoffe abgeben. Doch ihre Möglichkeiten sind noch wenig erprobt.

Das Material wurde mithilfe der Zwei-Photonen-Lithographie hergestellt, einem hochpräzisen 3D-Druck-Verfahren. Dabei werden die Nanostrukturen in einem lichtempfindlichen Harz erzeugt, indem ein Laser das Harz aushärtet. Die Reste des Harzes wurden abgewaschen. Danach kam das gedruckte Material in einen Hochtemperatur-Vakuumofen.

Beschuss mit überschallschnellen Nanoprojektilen

Um die Festigkeit zu testen, hat das schweizerisch-amerikanische Team das Material, das dünner ist als ein menschliches Haar, mit Nanoprojektilen beschossen, die mithilfe eines Lasers auf Geschwindigkeiten von 40 bis 1.100 Meter pro Sekunden beschleunigt wurden - Letzteres ist mehr als dreifache Schallgeschwindigkeit. Den Aufprall filmte das Team jeweils mit einer Hochgeschwindigkeitskamera.

Aufgrund der Struktur drangen die Projektile nicht hindurch. "Wir zeigen, dass das Material aufgrund des Stoßverdichtungsmechanismus der Nano-Verstrebungen eine Menge Energie absorbieren kann, im Gegensatz zu etwas, das völlig dicht und monolithisch ist und keine Nanoarchitektur aufweist", sagte Projektleiter Carlos Portela vom MIT.

Wenn es in großem Maßstab hergestellt werden könne, eigne sich das Material sehr gut beispielsweise für schusssichere Westen, Explosionsschutzschilde oder Schutzbeschichtungen, die vor allem im militärischen Bereich oder in der Raumfahrt gefragt seien, sagte Julia Greer, Materialwissenschaftlerin am Caltech, deren Labor das Material hergestellt hat.