Wissenschaftler entwickeln neues Material, das 5-mal leichter und 4-mal stärker ist als Stahl
Forscher:innen der Universität von Connecticut (UConn) sollen ein unglaublich starkes und dennoch leichtes Material entwickelt haben, schreibt die Seite scitechdaily.com. Das Team hat das demnach mit zwei unerwarteten Bausteinen erreicht: DNA und Glas.
„Bei der gegebenen Dichte ist unser Material das stärkste bekannte“, behauptet Seok-Woo Lee, Materialwissenschaftler an der UConn. Lee und Kolleg:innen von der UConn, der Columbia University und dem Brookhaven National Lab haben am 19. Juli in der Wissenschaftszeitung Cell Reports Physical Science über die Details ihres Fundes berichtet.
Darin berichten die Forscher:innen, dass sie durch den Aufbau einer DNA-Struktur und deren anschließende Beschichtung mit Glas ein sehr starkes Material mit sehr geringer Dichte geschaffen haben. Glas, so schreibt es die Wissenschaftsseite, scheint eine überraschende Wahl zu sein, da es leicht zerspringen kann.
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Glas zerspringt jedoch in der Regel aufgrund eines Fehlers in seiner Struktur, wegen eines Risses, eines Kratzers oder eines fehlenden Atoms. Ein makelloser Kubikzentimeter Glas dagegen kann einem Druck von zehn Tonnen standhalten. Zur Einordnung: Das ist mehr als das Dreifache des Drucks, der letzten Monat das Tauchboot Oceangate Titan in der Nähe der Titanic implodieren ließ.
Es ist allerdings schwierig, ein großes Stück Glas ohne Makel herzustellen. Die Forschenden wissen aber, wie sie sehr kleine fehlerfreie Stücke herstellen können.
Solange das Glas weniger als einen Mikrometer dick ist, sei es fast immer fehlerfrei. Und da die Dichte von Glas viel geringer ist als die von Metallen und Keramiken, sollten alle Strukturen aus fehlerfreiem Glas in Nanogröße stark und leicht sein, so der Bericht der Wissenschaftler:innen.
Das Team schuf demnach eine Struktur aus sich selbst zusammensetzender DNA. Fast wie bei Magna-Tiles fügten sich DNA-Stücke bestimmter Länge und Chemie zu einem Skelett des Materials zusammen. Vorstellen kann man sich das in etwa wie den Rahmen eines Hauses oder Gebäudes – aber aus DNA, überzogen mit Glas.
Die Entdeckung ist deshalb etwas Besonderes, weil es schwierig ist, starke und zeitgleich leichte Materialien zu finden. Stärke ist dabei natürlich relativ. Eisen kann zum Beispiel sieben Tonnen Druck pro Quadratzentimeter aushalten, schreibt scitechdaily.com – aber es ist auch sehr dicht und schwer und wiegt 7,8 Gramm pro Kubikzentimeter.
Andere Metalle, wie etwa Titan, sind stärker und leichter als Eisen, und bestimmte Legierungen, die mehrere Elemente kombinierten, sind sogar noch kraftvoller. Solche Materialien haben leichte Schutzwesten und bessere medizinische Geräte ermöglicht und Autos und Flugzeuge sicherer und schneller gemacht.
Die Entwicklung bleibt aber natürlich nicht stehen. Um beispielsweise die Reichweite eines Elektrofahrzeugs zu erhöhen, sind neue besonders leichte und starke Materialien gefragt. Die traditionellen metallurgischen Techniken sind in den letzten Jahren jedoch an ihre Grenzen gestoßen, und die Werkstoffwissenschaftler:innen müssen immer kreativer werden, um neue leichte und hochfeste Werkstoffe zu entwickeln.
Das scheint jetzt also gelungen zu sein.
