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11.01.2017

Gyroid-Struktur entscheidet über Stärke und Leichtigkeit

Was der Graphen-Schwamm über Leichtbau mit Kunststoffen verrät

Graphen, das aus nur einer Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome besteht, gilt als das stärkste aller Materialien und besitzt darüber hinaus hoch interessante elektrische Eigenschaften. Alle Versuche, diese Eigenschaften in die dritte Dimension zu überführen, waren bisher jedoch gescheitert. Ein Team des Massachusetts Institute of Technology hatte nun aber Erfolg. Den Wissenschaftlern gelang es, eine schwammartige Struktur aus Graphen zu erzeugen, die nur fünf Prozent der Dichte von Stahl hat, aber das Zehnfache an Stabilität.

3D-Graphen eines simulierten Belastungstests (© Zhao Qin)

3D-Graphen eines simulierten Belastungstests (© Zhao Qin)

Der Coup gelang, indem die Forscher das Verhalten von Graphen bis auf die atomare Ebene hinunter analysierten und ein mathematisches Modell daraus ableiten konnten. Das überraschende Ergebnis: Die Eigenschaften des Graphen-Schwamms haben viel mit der Struktur des Materials zu tun, aber wenig mit dem Material selbst. Sie sind daher zuversichtlich, ähnlich extreme Leichtbaumaterialien auch mit anderen Stoffen wie etwa Polymeren realisieren zu können.

Für ihren Graphen-Schwamm komprimierten sie kleine Graphen-Flocken durch Druck und Hitze zu einem korallenartigen Material, das Kugeln mit einer großen Anzahl verbundener Öffnungen bildet, sogenannte Gyroide. "Diese Gyroide sind so komplex, dass sie mit herkömmlichen Fertigungsmethoden praktisch nicht hergestellt werden können", so der leitende Forscher in dem Projekt, Markus Buehler, Chef des MIT Department of Civil and Environmental Engineering, "diese Geometrie ist der entscheidende Faktor, nicht das Material."

Für reale Tests wurde die Gyroid-Struktur per 3-D-Drucker in einer makroskopischen Version erzeugt (© Melanie Gonick/MIT)

Für reale Tests wurde die Gyroid-Struktur per 3-D-Drucker in einer makroskopischen Version erzeugt (© Melanie Gonick/MIT)

Um die Eigenschaften der Struktur testen zu können, wurden die winzig kleinen Graphenstrukturen mittels eines 3-Druckers makroskopisch reproduziert und getestet ( Video auf Youtube ). Die Testergebnisse entsprachen dem von den MIT-Forschern entwickelten mathematischen Modell des Graphen-Schwammes. Die porösen Gyroid-Strukturen könnten nicht nur dem industriellen Leichtbau ganz neuartige Materialien verschaffen, sondern aufgrund ihrer enorm großen Oberfläche zum Beispiel auch im Bereich der Filtertechnik zum Einsatz kommen.

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