Hårdt... blødt... Nyt nanomateriale skifter egenskaber

(PhysOrg.com) -- En verdenspremiere:et materiale, der ændrer sin styrke, næsten med et tryk på en knap. Denne transformation kan opnås i løbet af få sekunder gennem ændringer i elektronstrukturen af ​​et materiale; således hårdt og sprødt stof, for eksempel, kan blive blød og formbar. Hvad gør denne udvikling revolutionerende, er, at transformationen kan styres af elektriske signaler. Denne verdensnyhed har sin oprindelse i Hamborg. Jörg Weißmüller, en materialeforsker ved både det tekniske universitet i Hamburg og Helmholtz Centre Geesthacht, har forsket i denne banebrydende udvikling, arbejder i samarbejde med kolleger fra Institute for Metal Research i Shenyang, Kina.

Den 51-årige forsker fra Saarland henviste til sin grundforskning, som åbner døren til en lang række forskellige applikationer, som "et gennembrud inden for materialevidenskaben". Det nye metalliske højtydende materiale er beskrevet af prof. Dr. Jörg Weißmüller og den kinesiske forsker Hai-Jun Jin i det seneste nummer af det anerkendte videnskabelige tidsskrift Videnskab . Deres forskningsresultater kunne bl. for eksempel, lave fremtidige intelligente materialer med evnen til selvhelbredelse, udjævning af fejl selvstændigt.

Fastheden af ​​et kogt æg kan justeres efter ønske gennem tilberedningstiden. Nogle beslutninger er, imidlertid, uigenkaldeligt – et hårdkogt æg kan aldrig omdannes til et blødkogt. Der ville være mindre irritation ved morgenbordet, hvis vi blot kunne skifte frem og tilbage mellem æggets forskellige fasthedsgrader.

Lignende problemer opstår ved fremstilling af strukturelle materialer såsom metaller og legeringer. Materialeegenskaberne indstilles én gang for alle under produktionen. Dette tvinger ingeniører til at gå på kompromis med valget af et materiales mekaniske egenskaber. Større styrke er uundgåeligt ledsaget af øget skørhed og en reduktion af skadetolerancen.

Professor Weißmüller, leder af Institut for Materialefysik og Teknologi ved det tekniske universitet i Hamborg og også for afdelingen for Hybrid Material Systems ved Helmholtz Center Geesthacht, udtalte:"Dette er et punkt, hvor der gøres betydelige fremskridt. For første gang er det lykkedes os at fremstille et materiale, som under tjeneste, kan skifte frem og tilbage mellem en tilstand af stærk og skør adfærd og en tilstand af blød og formbar. Vi er stadig på grundforskningsstadiet, men vores opdagelse kan bringe betydelige fremskridt i udviklingen af ​​såkaldte smarte materialer."

Et ægteskab mellem metal og vand

For at producere dette innovative materiale, materialeforskere anvender en forholdsvis enkel proces:korrosion. Metallerne, typisk ædle metaller som guld eller platin, anbringes i en sur opløsning. Som en konsekvens af begyndelsen af ​​korrosionsprocessen, der dannes små kanaler og huller i metallet. Det nye nanostrukturerede materiale er gennemsyret af et netværk af porekanaler.

Porerne er imprægneret med en ledende væske, for eksempel en simpel saltvandsopløsning eller en fortyndet syre, og et ægte hybridmateriale af metal og væske er således skabt. Det er det usædvanlige "ægteskab", som Weißmüller kalder denne forening af metal og vand, som når det udløses af et elektrisk signal, gør det muligt at ændre materialets egenskaber ved et tryk på en knap.

Når ioner opløses i væsken, metallets overflader kan lades elektrisk. Med andre ord, den metalliske partners mekaniske egenskaber ændres ved påføring af et elektrisk potentiale i væskepartneren. Effekten kan spores tilbage til en styrkelse eller svækkelse af atombindingen i metallets overflade, når ekstra elektroner tilføres eller trækkes tilbage fra overfladeatomerne. Materialets styrke kan efter behov være så meget som fordoblet. Alternativt materialet kan skiftes til en tilstand, der er svagere, men mere skadetolerant, energiabsorberende og formbar.

Specifikke applikationer er stadig et spørgsmål for fremtiden. Imidlertid, forskere tænker allerede fremad. I princippet, materialet kan skabe elektriske signaler spontant og selektivt, for at styrke sagen i områder med lokal stresskoncentration. Skade, for eksempel i form af revner, derved kunne forebygges eller ligefrem helbredes. Dette har bragt videnskabsmænd et stort skridt tættere på deres mål om 'intelligente' højtydende materialer.