Hergestellt im 3D-Drucker 19.01.2017, 09:09 Uhr

Graphen-Schaum ist so viel stabiler als Stahl

Graphen ist wirklich ein Wundermaterial: Jetzt ist es gelungen, einen Schaum aus Graphen herzustellen mit ganz erstaunlichen Eigenschaften. Der Schaum ist zwar federleicht, aber um ein Vielfaches stabiler als Stahl. Wie das kommt?

Gyroid-Modelle aus dem 3D-Drucker wie dieses wurden benutzt, um die Stärke und mechanischen Eigenschaften eines neues leichten Materials zu testen. 

Gyroid-Modelle aus dem 3D-Drucker wie dieses wurden benutzt, um die Stärke und mechanischen Eigenschaften eines neues leichten Materials zu testen. 

Foto: Melanie Gonick/MIT

Graphen ist ein zweidimensionales Nanomaterial. Nur eine Atomlage dick besitzt die Kohlenstoffvariante lediglich in Breite und Länge eine Ausdehnung. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben jetzt ein schwammartiges Material aus Graphen konstruiert, das nur rund fünf Prozent der Dichte von Stahl besitzt, aber zehnmal so stark ist. Es wurde mit einem hochauflösenden 3D-Drucker hergestellt.

Lücken in der Erforschung

Zwar gilt Graphen ja ohnehin unter anderem wegen seiner Härte als Wundermaterial, doch ist es bisher nur teilweise gelungen, diese Stabilität auf nutzbare dreidimensionale Graphen-Materialien zu übertragen.

Die Illustration zeigt die Ergebnisse der Simulationstests zur Zug- und Druckfestigkeit der 3D-Graphen-Struktur.  

Die Illustration zeigt die Ergebnisse der Simulationstests zur Zug- und Druckfestigkeit der 3D-Graphen-Struktur.  

Foto: Zhao Qin

Einer der Gründe dafür: Bisher war nicht bekannt, welche Eigenschaften ein dreidimensionaler Graphen-Schaum braucht, um leicht und doch stabil zu sein. Das wollten Prof. Zhao Qin und seine MIT-Kollegen herausfinden und untersuchten dafür die Struktur von Schäumen und Gittern aus Graphen.

Graphen-Würfel mit Löchern

Dafür konstruierte das MIT-Team zunächst mithilfe sehr genauer Computermodelle einen Graphen-Würfel. Die Forscher schweißten 500 Blättchen des zweidimensionalen Graphen-Gitters mit 500 kugelförmigen Platzhaltern unter Hitze und hohem Druck zu dreidimensionalen, porösen Strukturen zusammen. Dabei lösten sich die Platzhalter auf, so dass an ihrer Stelle Hohlräume zurückblieben.

Dünnere Wände stabiler als dickere

Durch die Löcher ergibt sich ein Plus an Oberflächenstruktur, was dem Konstrukt Festigkeit verleiht, andererseits sorgen die Hohlräume für ein niedriges Gewicht. Tests ergaben, dass dieser Graphen-Schaum zehnmal stabiler und zugfester ist als Stahl, obwohl er nur fünf  Prozent von dessen Dichte besitzt.

Es zeigte sich bei den Tests aber auch, dass es die Würfel mit dünneren Wänden waren, die sich deutlich stabiler zeigten, als diejenigen mit dickeren Wänden. Letztere explodierten förmlich, als die Gewichte auf sie drückten. Die dünnere Variante hingegen behielt ihre Form und fiel kontrolliert zusammen.

Großes Potenzial

Die MIT-Forscher erklären das Versuchsergebnis damit, dass die dickeren Wände die durch den Druck ausgeübte Kraft als Spannungsenergie speichern und dann auf einmal freigeben, während die dünneren Wände kontinuierlich verformt werden. Ihre Erkenntnis: Graphen spielt zwar als Material für die Härte eine Rolle, aber entscheidender ist die geometrische Form.

„Man kann das Graphen durch irgendein anderes Material ersetzen. Die Geometrie ist der dominante Faktor. Sie hat das Potenzial, viele Dinge zu verändern“, sagt Markus Buehler, Chef der Abteilung Civil and Environmental Engineering am MIT.

So könnte die vom MIT entwickelte Struktur auch für Kunststoffe und Metalle genutzt werden, um ultraleichte, widerstandsfähige Materialien zu kreieren, etwa für den Bau von Brücken. Superleichte und ultrastabile Materialien wären auch optimal einsetzbar im Flugzeug- und Automobilbau gewünscht. Und nicht nur da. 

Kleinste Glühlampe der Welt

Sie möchten mehr über Graphen erfahren? Hier stellen wir Ihnen eine industriefähige Lösung zur Produktion von Graphen vor, die von Forschern aus Aachen und Jülich entwickelt wurde.

Kleinste Glühlampe der Welt: Sie besteht aus einem Graphenfilament zwischen zwei Elektroden. Das Material hält Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius aus.

Kleinste Glühlampe der Welt: Sie besteht aus einem Graphenfilament zwischen zwei Elektroden. Das Material hält Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius aus.

Foto: Young Duck Kim/Columbia Engineering

Und an dieser Stelle berichten wir über die kleinste Glühlampe der Welt, die aus einem Graphenfilament zwischen zwei Elektroden besteht. Das Material hält Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius aus. 

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