Nano-Pappkarton ist ultraleicht und belastbar

Innovative Sandwich-Konstruktion ist zehntausend Mal härter als eine übliche massive Bauweise

(pte002/08.11.2018/06:05) – Forscher der University of Pennsylvania http://upenn.edu haben ein neues "Wundermaterial" entwickelt, das gleichzeitig
ultraleicht, hauchdünn und äußerst belastbar ist. Der sogenannte
"Nano-Pappkarton" ist dabei gerade einmal einen Quadratzentimeter groß
und hat eine Struktur, die wie ein herkömmlicher Karton aus mehreren
Schichten mit dazwischenliegenden Hohlräumen aufgebaut ist. Diese
Sandwich-Konstruktion ermöglicht eine Steifheit, die über zehntausend
Mal härter ist als bei einer massiven Bauweise.

Einmalige Vorteile nutzbar

"Gewellter Pappkarton ist generell die Sandwich-Struktur, die die
meisten Leute kennen", sagt Igor Bargatin, Assistant Professor of
Mechanical Engineering and Applied Mechanics an der University of
Pennsylvania. Die Vorteile dieses Materials seien einmalig. "Es ist
sowohl extrem leicht als auch außergewöhnlich gut belastbar", erklärt
der Experte: "Deshalb finden wir solche Strukturen auch beinahe überall –
wahrscheinlich ist sogar ihre Haustür aus einer Sandwich-Struktur
gebaut, die an beiden Seiten mit solidem Material verstärkt ist und in
der Mitte einen leichteren Kern hat."

Auch in der Natur sei diese spezielle Bauweise zu finden. "Die Evolution
nutzt das auch, beispielsweise in bestimmten Pflanzenblättern,
Tierknochen oder Kieselalgen", betont Bargatins Laborkollege Samuel
Nicaise. Die Herausforderung bei ihrem gemeinsamen Projekt sei es, diese
Form des Aufbaus auf Nanolevel herunter zu skalieren. "In größerem
Maßstab muss man einfach zwei Außenplatten mit einer Gitterschicht
dazwischen verkleben. Auf der Nanoebene, auf der wir arbeiten, sind die
Strukturen aber tausend Mal kleiner als jede Art von Kleber, die man
finden kann", so Bargatin.

Silizium und Aluminiumoxid

Für ihren "Nano-Pappkarton" nutzen die Forscher eine solide Basis aus
Silizium, durch die verschiedene Kanäle hindurchlaufen. Darüber
verteilen sie eine hauchdünne Nanoschicht aus Aluminiumoxid, die die
gesamte Basis umhüllt. Die so entstehende Struktur wird anschließend in
kleinere Stücke geschnitten. Durch die Schnittflächen an der Seite lässt
sich dann das Silizium im Inneren herausätzen. Übrig bleibt ein hohles
Gehäuse aus Aluminiumoxid, das zwischen Boden und Decke durch ein Netz
aus kleinen Röhrchen verbunden ist.

Um die größtmögliche Stabilität zu erreichen, experimentierten die
Forscher mit verschiedenen Designs. Nach mehreren Versuchen entschieden
sie sich für eine Struktur, die ein wenig an ein geflochtenes Korbmuster
erinnert. "Wenn man genug Druck ausübt, kann man dieses Material sehr
stark verbiegen. Das Erstaunliche ist, dass es sich dann aber sofort
wieder erholt und in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Das wäre in
einem größeren Maßstab unmöglich", stellt Bargatin klar.