Neues Material: Hart oder weich auf Knopfdruck

Elektrische Signale verändern mechanische Eigenschaften eines neuen Werkstoffs aus Metall und wässriger Säure binnen Sekunden

Poröse Nanostruktur
Poröse Nanostruktur

Hamburg - Ein neuer metallischer Werkstoff kann durch elektrische Spannungen schnell zwischen hart und spröde oder weich und formbar hin und her geschaltet werden. Damit erschließt eine Gruppe aus deutschen und chinesischen Forschern eine völlig neue Klasse intelligenter Materialien, in denen beispielsweise Risse sehr viel eleganter als bisher repariert werden könnten. Bei den porösen Nanostrukturen, die die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift "Science" präsentieren, funktioniert der Wandel ganz ohne das bislang notwendige Schmelzen.

"Wir haben zum ersten Mal ein Material erzeugt, das beim Gebrauch zwischen den mechanischen Eigenschaften fest und spröde sowie weich und formbar hin- und herschalten kann", sagt Jörg Weißmüller von der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Zusammen mit seinem chinesischen Kollegen Hai-Jun Jin vom Metallforschungsinstituts in Shenyang behandelte er ein kleines Stückchen Gold mit Säure. Durch die dabei einsetzende Korrosion bildeten sich zahlreiche kleine Poren und Kanäle in dem Edelmetall aus. In diese Hohlräume füllte das Team Perchlorsäure und erhielt das neue Hybridmaterial.

Dann legten Weißmüller und Kollegen an ihren nanoporösen Werkstoff eine elektrische Spannung von bis zu 1,5 Volt an. Über die in der Säure vorliegenden Ionen konnten so die metallischen Grenzflächen elektrisch aufgeladen werden, in einem umkehrbaren Prozess. Je nach Spannung gelangten zusätzliche Elektronen in eine dünne Goldschicht und beeinflusste die atomaren Bindungen. Das hatte zur Folge, dass das Gold entweder härter oder weicher und formbarer wurde. Ohne eine anliegende Spannung fand das Edelmetall wieder in seinen Ursprungszustand zurück. Begleitende Messungen der Festigkeit bestätigten den elektrisch schaltbaren Wechsel des Hybridmaterials zwischen hart und weich.

"Das ist ein Durchbruch in den Materialwissenschaften", ist Weißmüller überzeugt. Schon jetzt kann er sich neue metallische Werkstoffe vorstellen, bei denen kleine Schäden allein durch das Anlegen elektrischer Spannungen repariert werden könnten. Da es sich derzeit jedoch um erste grundlegende Ergebnisse handelt, sind für konkrete Anwendungen noch weitere Entwicklungen nötig. Denkbar ist, statt teurer Edelmetalle auch spezielle Stahlvarianten mit Nanoporen zu versehen, um in diese eine ionische, auf Spannungen reagierende Flüssigkeit füllen zu können.