Stoßdämpfer für die Nanowelt

Winzige Nanodrähte zeigen nicht nur einzigartige elektronische Eigenschaften. Auch ihr mechanisches Verhalten unterscheidet sich grundlegend von Festkörpern aus dem gleichen Material. Wissenschaftler entdeckten nun, dass Nanodrähte aus Zinkoxid auf überraschende Weise elastisch sein können. Unter Belastungen, die größere kristalline Zinkoxid-Proben mühelos zerbrechen lassen, ließen sich Zinkoxid-Nanodrähte stark verbiegen. Diese Verformung bildete sich ohne Last über mehrere Minuten wieder zurück. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, könnte dieses anelastisch genannte Verhalten zum Bau winziger Stoßdämpfer genutzt werden.

Ein heller Streifen auf dunklem Grund in sechs Bildern, die zeigen, wie der Draht zuerst stark verformt ist und sich dann wieder gerade biegt.
Nano-Stoßdämpfer

„Solche Nanostrukturen könnten eine Rolle als effizientes mechanisches Dämpfungsmaterial spielen“, sagt Huajian Gao von der Brown University in Providence. Zusammen mit Kollegen von der North Carolina State University in Raleigh fertigte Gao Zinkoxid-Nanodrähte mit Durchmessern zwischen 28 und 65 Millionstel Millimetern. Diese Drähte verbogen sie mit einem Druck von bis zu acht Gigapascal um bis zu 180 Grad, ohne dass sie zerbrachen. Wieder entlastet schnellten die Drähte zurück, wiesen aber immer noch eine Biegung auf. Doch auch diese Biegung bildete sich langsam wieder zurück, so dass der Nanodraht nach 20 Minuten fast so gerade wie zu Beginn war.

Besonders die langsame Zurückbildung analysierten Gao und Kollegen genauer. Sie suchten nach einer Erklärung für dieses für kristalline Materialien sehr ungewöhnliche anelastische Verhalten. Mit einer speziellen Methode, der Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie, erkannten sie, dass sich die Kristallstruktur der Nanodrähte während der Verformung veränderte. So ordneten sich die Sauerstoffatome abhängig von der Zugbelastung neu an und verhinderten ein Zerbrechen des Nanodrahts. Ohne Belastung ging die Kristallstruktur langsam wieder in den ursprünglichen Zustand über. Diese Bewegungen machten die Forscher für das anelastische Verhalten verantwortlich.

Auf den ersten Blick hat diese Arbeit den Charakter einer Grundlagenstudie der Materialwissenschaft. Doch könnten anelastische Nanodrähte in Zukunft auch als mikroskopisch kleine Dämpfungsmodule in mikromechanischen Geräten genutzt werden.