Hoge sterkte door hiërarchie: onderzoekers ontwikkelen een nieuw proces voor het bouwen van ultralichte materialen

Zo licht mogelijk en zo sterk mogelijk tegelijk: dat zijn de eisen die aan moderne lichtgewicht materialen worden gesteld, zoals gebruikt in de vliegtuigbouw en de auto-industrie. Een onderzoeksteam van Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) en de Technische Universiteit van Hamburg (TUHH) heeft nu een nieuwe ontwerpbenadering voor materialen ontwikkeld voor toekomstige ultralichte materialen: metalen stutten van nanometergrootte die geneste netwerken op afzonderlijke hiërarchische niveaus vormen, bieden verbazingwekkende kracht.

De onderzoeksgroep presenteert haar bevindingen in het huidige nummer van het tijdschrift Wetenschap​

Toen de Eiffeltoren in 1889 werd ingehuldigd, werd het als een technisch wonder beschouwd. De kunstzinnige en delicate opstelling van grote en kleine ijzeren liggers zorgde voor buitengewone stabiliteit en het was destijds verreweg het hoogste gebouw ter wereld. De term “hiërarchisch” beschrijft de technische benadering van een open reeks grotere balken die worden geschraagd door kleinere. Sinds enkele jaren proberen materiaalwetenschappelijke onderzoekers deze efficiënte benadering over te brengen op de interne microstructuur van materialen, bijvoorbeeld door 3D-printers te gebruiken die technische truss-structuren op micrometerschaal kunnen repliceren.

Tot dusverre is de hoop op het creëren van een nieuwe generatie extreem sterke lichtgewicht constructiematerialen niet uitgekomen. Een van de redenen: “Een 3D-printer kan maximaal ongeveer 10.000 bundels printen, en dat zal uren duren”, zegt professor Jörg Weißmüller van het Institute of Materials Mechanics bij HZG, co-auteur van de huidige publicatie. “Voor praktische toepassingen is dit niet echt een haalbare optie.”

Zilver wegtrekkend

Desalniettemin streeft zijn team een ​​nog ambitieuzer doel na: als de bundels zouden kunnen worden versterkt door ze te verkleinen tot enkele nanometers in diameter, zouden ze de basis kunnen vormen voor een nieuw type materiaal – uitzonderlijk licht en tegelijkertijd sterk. Dit soort materiaal zou echter biljoenen bundels moeten bevatten, wat de mogelijkheden van zelfs de meest geavanceerde printer ver overtreft. “Daarom moeten we de natuur misleiden om dit soort materialen voor ons te maken, simpelweg door zelforganisatie”, legt Weißmüllers collega Dr. Shan Shi, hoofdauteur van de studie, uit.

Om te beginnen gebruikte het team een ​​legering van 93% zilver en 7% goud. Deze legering wordt ondergedompeld in verdund zwavelzuur, waarbij ongeveer de helft van het zilver wordt opgelost. Als gevolg hiervan herschikt het resterende materiaal zichzelf en vormt het een delicaat netwerk van bundels op nanoschaal. Daarna ondergaat het materiaal een warmtebehandeling op enkele honderden graden. “Hierdoor wordt het netwerk grover tot een bundelgrootte van 150 nanometer met behoud van de oorspronkelijke architectuur”, legt Shi uit.

Tijdens de laatste stap wordt zuur gebruikt om de rest van het zilver uit te wassen, waardoor alleen goudbundels overblijven met een poriegrootte van gemiddeld 15 nanometer. Het resultaat is een hiërarchisch gestructureerd materiaal met twee duidelijk verschillende balkafmetingen, vergelijkbaar met de Eiffeltoren. Door zijn open netwerkstructuur bestaat dit nieuwe materiaal voor 80 tot 90% uit lucht, waardoor het een dichtheid heeft van slechts 10 tot 20% van het vaste metaal.

Verbazingwekkend licht, verbazingwekkend sterk

De onderzoeksgroep testte vervolgens de mechanische eigenschappen van hun millimetergrootte monsters. “Gezien de lage dichtheid van dit materiaal, vertoont het uitzonderlijk hoge waarden voor belangrijke mechanische parameters zoals sterkte en elasticiteitsmodulus”, zegt Jörg Weißmüller. “We hebben veel van de massa verwijderd en heel weinig achtergelaten, maar het materiaal is veel sterker dan wat tot nu toe de laatste stand van de techniek was.” Dit, zei hij, toont voor het eerst aan dat een hiërarchische structuur niet alleen gunstig kan zijn voor macroscopische technische truss-constructies zoals de Eiffeltoren, maar ook voor lichtgewicht netwerkmaterialen.

Het nieuwe materiaal is nog niet geschikt voor toepassingen in lichtgewicht constructies – goud is daarvoor simpelweg te duur, te zwaar en te zacht. Toch is het denkbaar dat de nieuwe benadering van het HZG-materiaalontwerp kan worden overgedragen op andere, technologisch relevantere metalen zoals aluminium, magnesium of titanium. De onderzoekers zullen dan voor een andere uitdaging komen te staan: tot nu toe hebben ze alleen kleine monsters van millimetergrootte kunnen maken. “Maar het lijkt heel goed mogelijk om met ons proces draden of zelfs hele metalen platen te maken”, zegt Weißmüller. “Op dat moment wordt het materiaal interessant in real-life scenario’s, bijvoorbeeld in nieuwe concepten voor voertuigen die lichter en dus energiezuiniger zijn.”