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Formgedächtnis Forscher entdecken Selbstheilungskräfte bei reinem Gold

| Redakteur: Rebecca Vogt

Schäden, wie etwa Kratzer, Risse oder Dellen, können von selbstheilenden Materialien selbstständig repariert werden. Bei reinen Metallen hielt man diese Eigenschaft bislang für unmöglich. Forscher konnten nun jedoch bei winzigen Goldpartikeln Selbstheilungskräfte feststellen.

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Goldatome haben sich in die zuvor geschlagene Delle bewegt und sie wieder fast ganz aufgefüllt.
Goldatome haben sich in die zuvor geschlagene Delle bewegt und sie wieder fast ganz aufgefüllt.
(Bild: KIT)

Um sich selbst zu reparieren und die ursprüngliche Gestalt wieder anzunehmen, müssen selbstheilende Materialien aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden, deren kombinierte Eigenschaften zu den gewünschten Eigenschaften führen. Werkstoffe mit Formgedächtnis auszustatten, gestaltet sich als eine sehr umständliche und mühsame Arbeit.

Bei reinen Metallen galten Selbstheilungskräfte, die mechanisch verursachte Schäden reparieren, bislang als unmöglich. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Technion – Israel Institute of Technology haben nun jedoch entdeckt, dass auch winzige Partikel aus reinem Gold über erstaunliche Selbstheilungsfähigkeiten verfügen.

Fokus auf Kunststoffen mit komplizierten Strukturen

„Bislang hat man sich bei der Suche nach solchen Werkstoffen auf Kunststoffe aus vielen Bestandteilen und komplizierten Strukturen konzentriert“, konstatiert Dr. Christian Brandl vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM). Deren Selbstheilungskräfte basierten allesamt auf der kollektiven Umwandlung der Phasen eines oder mehrerer Stoffe, aus denen sie zusammengesetzt sind – etwa durch Erhitzen, Schmelzen oder Fällung, wobei sich die Materialeigenschaften ändern können.

Bei Metalllegierungen beruht der Formgedächtniseffekt auf dem Phänomen, dass sie in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können, die von einer bestimmten Temperatur abhängen. Verändert sich diese, erinnern sich die Metalle an ihre frühere Formgebung, die sie bei der jeweiligen Temperatur innehatten. Der Selbstheilungseffekt ist weder bei den Verbundstoffen noch den Legierungen jemals vollständig.

Partikel kehren zu ihrer ursprünglichen Form zurück

Eine Selbstheilung beziehungsweise ein Formgedächtnis von reinen Metallen war bislang gänzlich unbekannt. Genau das hat die internationale Forschergruppe um Brandl und Eugen Rabkin vom Technion aber jetzt bei den Goldpartikeln beobachtet. Die vielgestaltigen Partikel nahmen dabei nahezu vollständig ihre individuelle ursprüngliche Form wieder an. Irgendeine Verformung gab es nicht. „Das Faszinierendste dabei ist, dass die wiederhergestellten Partikelformen nicht der mit der geringsten Oberflächenenergie entsprachen, was zu erwarten gewesen wäre“, sagt Brandl.

Dellen werden wieder aufgefüllt

Zunächst in Simulationen in Hochleistungsrechnern und dann real mit der Messspitze eines Rasterkraftmikroskops hatten die Forscher den Partikeln mechanische Schäden beigebracht. Sie stellten fest, dass sich durch Ausglühen bei Temperaturen – weit unterhalb der Schmelztemperatur von Gold – Goldatome entlang von Oberflächenstufen zurück in die Dellen bewegten und diese fast vollständig wieder auffüllten.

Solche Oberflächenstufen treten in vielen verformten Metallen auf. Deshalb rechnet Brandl damit, dass auch andere Metalle über die beobachteten Selbstheilungseigenschaften verfügen. Die Forscher gehen davon aus, dass mithilfe ihrer Ergebnisse robuste Bauteile für Strukturen kleiner als ein tausendstel Millimeter konstruiert werden können.

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