Klassische Materialien aus Keramiken, Metallen oder Kunststoffen haben ihre typischen mechanischen Eigenschaften. Sie sind hart, weich, fest, verformbar oder auch starr. Hamburger Forscher haben nun ein Material entwickelt, das mehrere Eigenschaften vereinen und damit neue Anwendungen in der Medizintechnik und Produktherstellung eröffnen kann. Das neuartige Nanokompositmaterial stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH), der Universität Hamburg, des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und von DESY im Fachblatt „Nature Materials“ vor. Die neue Materialklasse kann sich beispielsweise für Zahnfüllungen oder auch in der Herstellung von Uhrengehäusen eignen. Hierfür muss das Material hart und zugleich bruchfest sein.

Eine neu entwickelte Methodik der Forscher führt zu einem Material, das gleichzeitig fest, hart und sehr steif ist. Die Forscher nutzen dafür zunächst eine bei Nanoteilchen angewandte Standardmethode, bei der sich keramische Eisenoxid-Nanopartikel in gleichmäßigen Abständen regelmäßig anordnen. Damit dies passiert, wird organische Ölsäure benötigt, die sich in die engen Lücken zwischen den Nanopartikeln legt und sie miteinander verbindet.

„Die Selbstorganisation dieser Nanopartikel führt zu ausgedehnten dichtgepackten Überstrukturen, die an atomare Kristallgitter erinnern“, erläutert einer der Autoren der Studie, Dr. Axel Dreyer von der TUHH. Der Clou ist, dass eine nachfolgende moderate Wärmebehandlung des Materials einen viel stärkeren Zusammenhalt und bisher unerreichte mechanische Eigenschaften des Nanokomposits bewirkt.

Der Aufbau des neuen Materials ähnelt auf kleinster Ebene natürlichem Hartgewebe wie Perlmutt oder Zahnschmelz. Seine Bausteine sind einheitlich große Eisenoxid-Nanopartikel, die mit einer Hülle aus organischer Ölsäure umgeben sind. In bisherigen Arbeiten war die Verbindung zwischen den Ölsäuremolekülen sehr schwach und basierte auf sogenannten Van-der Waals-Bindungen. Den Wissenschaftlern ist es nun durch Trocknung, Heißpressen und einer kontrollierten Wärmebehandlung gelungen, die Ölsäuremoleküle viel stärker zu verbinden und damit das mechanische Verhalten dieses Nanokomposits entscheidend zu verbessern.

Da auch andere Nanoteilchen sehr häufig in Kombination mit organischer Ölsäure verarbeitet werden, hat diese Methode das Potenzial, auch bei einer Vielzahl anderer Nanokompositmaterialien die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Die Bindungseigenschaften der als Kleber fungierenden Ölsäure wurden von Mitarbeitern des DESY-Nanolabs mit spektroskopischen Methoden untersucht. „Die Messungen ergaben, dass die Ölsäuremoleküle die Wärmebehandlung überstehen und sich während dieses Prozesses weiter vernetzen“, berichtet Ko-Autor Prof. Andreas Stierle, Leitender Wissenschaftler bei DESY. „Diese wichtige Information ist die Grundlage für die erfolgreiche Modellierung der mechanischen Eigenschaften dieses neuartigen Materials.“

 

Originalveröffentlichung:
"Organically linked iron oxide nanoparticle supercrystals with exceptional isotropic mechanical properties“; Axel Dreyer, Artur Feld, Andreas Kornowski, Ezgi D. Yilmaz, Heshmat Noei, Andreas Meyer, Tobias Krekeler, Chengge Jiao, Andreas Stierle, Volker Abetz, Horst Weller and Gerold A. Schneider; „Nature Materials“, 2016; DOI: 10.1038/NMAT4553