Nano-Pappkarton ist ultraleicht und belastbar

Forscher der University of Pennsylvania 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.

Gewellter Pappkarton ist generell die Sandwich-Struktur, die die meisten Leute kennen, so Igor Bargatin, Assistant Professor of Mechanical Engineering and Applied Mechanics an der University of Pennsylvania. Die Vorteile dieses Materials ist einmalig. Es ist sowohl extrem leicht als auch außergewöhnlich gut belastbar. Deshalb findet man solche Strukturen auch beinahe überall – z.B. Türen aus einer Sandwich-Struktur, die an beiden Seiten mit solidem Material verstärkt ist und in der Mitte einen leichteren Kern hat.

Auch in der Natur ist diese spezielle Bauweise zu finden. Die Evolution nutzt das auch, beispielsweise in bestimmten Pflanzenblättern, Tierknochen oder Kieselalgen. Die Herausforderung bei dem Projekt ist 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 die Experten arbeiten, sind die Strukturen aber tausend Mal kleiner als jede Art von Kleber, die man finden kann.

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.

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