Überraschend: Neue Keramik fast so flexibel wie Gummi

Pasadena (USA) - Keramiken sind vielseitig einsetzbar als Isolatoren, Katalysatoren oder Reaktionsgefäße. Doch so hitzefest und resistent sie gegenüber Chemikalien sind, so leicht zerbrechen sie auch. Genau dieses Problem konnten nun Wissenschaftler vom California Institute of Technology in Pasadena zumindest teilweise lösen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, schufen sie eine nanostrukturierte Keramik aus Aluminiumoxid, die sich auf die Hälfte seiner Größe ohne Brüche zusammenpressen ließ.

„Unser Ziel war es, ein Material mit zuvor unvereinbaren Eigenschaften zu entwickeln“, sagt Lucas R. Meza von der Division of Engineering and Applied Science am Caltech. Gemeinsam mit seinen Kollegen formte er zuerst ein Kunststoffgerüst, dass sie mit sich kreuzenden Lasern Stück für Stück aushärten konnten. Auf dieses Gerüst deponierten sie mit einem ausgefeilten Abscheidungsverfahren extrem dünne Schichten aus Aluminiumoxid. Überstehende Reste schnitten sie mit einem Ionenstrahl ab. Das Kunststoffgerüst beseitigten sie mit einem Ätzprozess in einem Sauerstoff-Plasma.

Das Ergebnis: symmetrisch aufgebaute dreidimensionale Gitterstrukturen. Sie unterschieden sich lediglich in der Wandstärke der miteinander vernetzten Metalloxidröhrchen, die zwischen 5 und 60 millionstel Millimeter schwankte. Je nach Dicke variierte auch die Dichte dieser Nanokeramik zwischen extrem leichten 6,3 und deutlich schwereren 258 Kilogramm pro Kubikmeter. Alle Keramiken testeten die Forscher auf ihre Verformbarkeit unter Druck. Testkörper mit einer Wandstärke von nur zehn Nanometern ließen sich mit bis zu 1,2 Megapascal Druck langsam auf die Hälfte zusammenstauchen. Ohne Druck faltete sich die Keramik zur ursprünglichen Form ohne nennenswerte Schäden wieder aus.

„Von Batterien über Solarzellen bis zu Hitzeschilden schränken Risse und Brüche in verwendeten Keramiken die lange Haltbarkeit stark ein“, sagt Meza. Genau diese Anwendungen haben die Forscher mit ihren Nanokeramiken im Blick, um die Haltbarkeit der entsprechenden Produkte deutlich zu verlängern. Bisher sind die Nanokeramiken allerdings aufwendig gefertigte Einzelstücke und zu teuer für jede technische Anwendung. Doch wenn es gelingen sollte, das Produktionsverfahren für große Mengen weiter zu entwickeln, stünde eine neue Werkstoffklasse für die Industrie zur Verfügung.