Faltbar wie ein Akkordeon – Internationales Forschungsteam biegt einzelne Nanostrukturen

Seitdem eine Forschungsgruppe der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Technischen Universität Hamburg-Harburg vor einigen Jahren Aerographit, eines der leichtesten Materialien der Welt, entwickelt hat, erforscht sie es permanent weiter. Seine komplexe Tetrapoden-Struktur verschafft dem auf Kohlenstoff basierenden 3D-Material einzigartige Eigenschaften, wie zum Beispiel hohe Elastizität und elektrische Leitfähigkeit. In einer internationalen Forschungskooperation waren Materialwissenschaftler der CAU jetzt zum ersten Mal in der Lage, die einzelnen, nur wenige Mikrometer großen Tetrapoden zu falten.

Anschließend nahmen sie automatisch wieder ihre Ursprungsform ein, ohne eine Beschädigung aufzuweisen. Das macht hochentwickelte Anwendungen sowohl in der Materialwissenschaft wie auch in der regenerativen Medizin denkbar. Seine Ergebnisse veröffentlichte das Forschungsteam in Nature Communications.  

An neuen Materialien interessiert Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vor allem eines: Welche Eigenschaften haben sie und wie verhalten sie sich unter verschiedenen Bedingungen? Davon hängen auch die Einsatzmöglichkeiten der Materialien ab. Um das gesamte mechanische Verhalten eines Materials vorhersagen zu können, muss die Form der einzelnen Strukturen untersucht werden, aus denen es aufgebaut ist, so Dr. Yogendra Mishra, Materialwissenschaftler in der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien an der CAU. Aerographit ist aufgebaut aus Tetrapoden, kohlenstoffhaltigen 3D-Nanostrukturen, die aus vier, hohlförmigen Armen bestehen. Miteinander verbunden bilden sie ein poröses, extrem leichtes Netzwerk und bringen das Gewicht von Aerographit auf gerade einmal 0,2 Milligramm pro Kubikzentimeter. Diese besondere Struktur verleiht dem Material eine hohe mechanische Stabilität und eine vergleichsweise große Oberfläche. Damit bekommt es spannende physikalische und chemische Eigenschaften.

Das internationale Forschungsteam unter Kieler Leitung konnte jetzt zeigen, dass Aerographit sogar extrem faltbar ist. Normalerweise können Materialien wie Kohlenstoff oder Metalle nicht rückstandsfrei geknickt werden, aber aufgrund ihrer speziellen Struktur sind die Kohlenstoffnetzwerke hoch flexibel und gleichzeitig mechanisch stabil, so Professor Rainer Adelung, Leiter der Arbeitsgruppe Funktionale Nanomaterialien. Vorstellen könne man sich das in etwa wie bei einem Bogen Papier. Ein glattes Papier leistet keinen Widerstand, hält man es an einer Seite fest, hängt es einfach herunter. Rollt man es aber zusammen oder zerknüllt es, bekommt es eine gewisse Festigkeit. Es kommt also auf die geometrische Anordnung innerhalb des Materials an. Die besondere Form der Tetrapoden ließ die Forschenden vermuten, dass sie sich trotz der Leichtigkeit des Aerographits falten lassen könnten. Denn die einzelnen Arme haben sehr dünne Wände und sind innen hohl. Dadurch können sie an verschiedenen Stellen geknickt werden und zwar reversibel. Sie gehen automatisch in ihre Ursprungsform zurück ohne Schaden zu nehmen. Ähnlich wie ein Akkordeon kann das dreidimensionale Objekt also in ein zweidimensionales zusammengefaltet und wieder aufgeklappt werden.

Ein Tetrapodenarm in normaler Gestalt; (b) eine Nadel berührt den Arm, der sich langsam zu knicken beginnt; (c) der Arm ist stark geknickt, bevor er (d) ohne Beschädigung wieder seine Ursprungsform einnimmt / Bildquelle: Donats Erst, University of Latvia

Die Kieler Forschenden entwickelten ein analytisches Modell, um zu beschreiben, wie sich Aerographit verhält, wenn es zusammengefaltet wird – zumindest nach ihrer Vermutung. Denn um zu beweisen, dass ihr Modell tatsächlich zutrifft, mussten sie die Mikrometer großen Objekte nicht nur in der Theorie, sondern auch in der Praxis knicken. Dafür benötigen sie ein spezielles Rasterelektronenmikroskop, das sie in Riga (Estland) fanden. Hier arbeitet das Kieler Team bereits mit Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen für ein anderes Projekt zusammen. Mit einer nanoskaligen Messnadel konnten die Kollegen dort die Aerographit-Tetrapoden greifen und verbiegen. Professor Nicola Pugno und Dr. Stefano Signetti, Materialwissenschaftler der italienischen Universität Trento, lieferten den endgültigen Beweis, dass die Annahmen der Kieler Kollegen korrekt waren. Die theoretischen Berechnungsmodelle stimmen genau mit den Annahmen der Kieler Wissenschaftler und den experimentellen Beobachtungen aus Riga überein. 

Die Berechnungsmethode, die durch diese internationale Zusammenarbeit entwickelt und verifiziert wurde, lässt sich auf Tetrapoden in verschiedenen Größen übertragen. Sie liefert eine wertvolle Basis, um die Eigenschaften von ganzen Tetrapodennetzwerken und Aerographit weiter zu untersuchen. Zu verstehen, wie sich Netzwerke von hohlförmigen Tetrapoden beliebig falten lassen ohne dabei beschädigt zu werden, könnte langfristig dazu beitragen, die Herstellung von hochporösen Festkörpern wie Aerogelen und Schaumstoffen zu optimieren oder sie bei der Regeneration von Gewebe zu verwenden (sogenannte Scaffolds in der Medizintechnik). 

Originalpublication: Raimonds Meija, Stefano Signetti, Arnim Schuchardt, Kerstin Meurisch, Daria Smazna, Matthias Mecklenburg, Karl Schulte, Donats Erts, Oleg Lupan, Bodo Fiedler, Yogendra Kumar Mishra, Rainer Adelung & Nicola M. Pugno. Nanomechanics of individual aerographite tetrapods. Nat. Commun. 8, 14982 doi: 10.1038/ncomms14982 (2017).

http://www.uni-kiel.de/