Blog

Oct 18, 2023

Wissenschaftler entwickeln neues Material, das fünfmal leichter und viermal stärker ist als Stahl

Materialien, die sowohl stark als auch leicht sind, können alles verbessern, von Autos über Flugzeuge bis hin zu medizinischen Geräten. Jetzt haben Forscher ein außergewöhnlich starkes Material mit sehr geringem Gewicht geschaffen

Materialien, die sowohl stark als auch leicht sind, können alles verbessern, von Autos über Flugzeuge bis hin zu medizinischen Geräten. Nun haben Forscher ein außergewöhnlich starkes Material mit sehr geringer Dichte geschaffen – und zwar aus zwei unwahrscheinlichen Bausteinen: DNA und Glas.

„Für die gegebene Dichte ist unser Material das stärkste bekannte“, so Seok-Woo Lee von der University of Connecticut, der mit Kollegen von der Columbia University und dem Brookhaven National Lab zusammenarbeitete.

„Ich bin ein großer Fan von Iron Man-Filmen“, sinnierte der Nanomaterialwissenschaftler Oleg Gang. „Ich habe mich immer gefragt, wie man eine bessere Rüstung für Iron Man herstellen kann. Es muss sehr leicht sein, damit er schneller fliegen kann. Es muss sehr stark sein, um ihn vor feindlichen Angriffen zu schützen.

„Unser neues Material ist fünfmal leichter, aber viermal stärker als Stahl.“

Einige Metalle, wie zum Beispiel Titan, sind stärker und leichter als Eisen. Bestimmte Legierungen sind sogar noch stärker – was leichtere Körperpanzerung, bessere medizinische Geräte und sicherere, schnellere Autos und Flugzeuge ermöglicht. Metallurgische Techniken stießen in den letzten Jahren an ihre Grenzen, bis Nanomaterialien kreative Möglichkeiten eröffneten.

Die Kollegen berichteten in Cell Reports Physical Science, dass sie durch den Aufbau einer Struktur aus DNA und deren anschließende Beschichtung mit Glas ein sehr starkes Material mit sehr geringer Dichte geschaffen haben. Glas scheint eine überraschende Wahl zu sein, da es leicht zerbricht. Allerdings zerbricht Glas normalerweise aufgrund eines Fehlers – etwa eines Risses, eines Kratzers oder fehlender Atome – in seiner Struktur. Ein makelloser Kubikzentimeter Glas kann einem Druck von 10 Tonnen standhalten, mehr als dem Dreifachen des Drucks, der diesen Sommer das Tauchboot Oceangate Titan in der Nähe der Titanic implodieren ließ.

AM BELIEBTESTEN: Bei Replikation könnte eine neue physikalische Entdeckung jedem Gerät über Umgebungsdruckmagnetik Levitation ermöglichen

Laut UCONN News ist es sehr schwierig, ein großes Stück Glas ohne Fehler herzustellen. Aber die Forscher wussten, wie man sehr kleine, makellose Stücke herstellt. Solange Glas weniger als einen Mikrometer dick ist, ist es fast immer makellos. Und da die Dichte von Glas viel geringer ist als die von Metallen und Keramik, sollten alle Strukturen aus makellosem Nanoglas stark und leicht sein.

Das Team schuf eine Struktur selbstorganisierender DNA. Fast wie bei Magnatiles fügten sich DNA-Stücke bestimmter Länge und Chemie zu einem Skelett des Materials zusammen. Stellen Sie sich den Rahmen eines Hauses oder Gebäudes vor, aber aus DNA.

Gang und Aaron Mickelson vom Center for Functional Nanomaterials in Columbia und Brookhaven überzogen die DNA mit einer sehr dünnen Schicht aus glasartigem Material, die nur wenige hundert Atome dick ist. Das Glas bedeckte die DNA-Stränge gerade noch und hinterließ einen großen Teil des Materialvolumens als leeren Raum, ähnlich wie die Räume in einem Haus oder Gebäude. Das DNA-Skelett verstärkte wie ein Gerüst die dünne, makellose Glasschicht und machte das Material sehr stabil – da die Hohlräume den größten Teil des Materialvolumens ausmachten, wurde es leicht.

Ein weiterer Durchbruch: Verblüffte Forscher entdecken, dass Metalle sich „ohne menschliches Eingreifen“ selbst heilen können

Dadurch entstand durch die Glas-Nanogitterstruktur eine noch nie dagewesene Kombination aus Festigkeit und Leichtigkeit.

„Die Fähigkeit, mithilfe von DNA entworfene 3D-Gerüst-Nanomaterialien zu erstellen und diese zu mineralisieren, eröffnet enorme Möglichkeiten für die Entwicklung mechanischer Eigenschaften.“ Gang erklärt in einer UConn-Pressemitteilung.

Es ist aber noch viel Forschungsarbeit nötig. Das Team arbeitet derzeit mit der gleichen DNA-Struktur, ersetzt jedoch Glas durch noch stärkere Karbidkeramik. Sie planen, mit verschiedenen DNA-Strukturen zu experimentieren, um herauszufinden, welches Material das stärkste macht.

UNGLAUBLICH: Wissenschaftler entwickeln neues Material, um Lithium-Ionen-Batterien selbstheilend und leicht recycelbar zu machen

Lee glaubt, dass die DNA-Origami-Nanoarchitektur einen neuen Weg zur Herstellung leichterer und stärkerer Materialien eröffnen wird, die wir uns noch nie zuvor vorgestellt haben.

INSPIRIEREN Sie wissenschaftliche Wunder, indem Sie diesen Durchbruch in den sozialen Medien teilen.

Möchten Sie morgens gute Nachrichten?

Sie müssen angemeldet sein, um einen Kommentar abzugeben.