Stark wie Glas

25. Juli 2023 | Kim Krieger – UConn Communications

Durch den Aufbau einer Struktur aus DNA und die anschließende Beschichtung mit Glas haben Forscher ein sehr starkes Material mit sehr geringer Dichte geschaffen

(Getty Images)

Materialien, die sowohl stark als auch leicht sind, könnten alles verbessern, vom Auto bis zum Körperschutz. Aber normalerweise schließen sich die beiden Eigenschaften gegenseitig aus. Nun haben Forscher und Kollegen der University of Connecticut ein außergewöhnlich starkes, leichtes Material entwickelt, das aus zwei unwahrscheinlichen Bausteinen besteht: DNA und Glas.

„Für die gegebene Dichte ist unser Material das stärkste bekannte“, sagt Seok-Woo Lee, Materialwissenschaftler an der UConn. Lee und Kollegen von UConn, der Columbia University und dem Brookhaven National Lab berichten über die Details am 19. Juli in Cell Reports Physical Science.

Stärke ist relativ. Eisen kann beispielsweise einem Druck von 7 Tonnen pro Quadratzentimeter standhalten. Mit einem Gewicht von 7,8 Gramm pro Kubikzentimeter ist es aber auch sehr dicht und schwer. Andere Metalle wie Titan sind fester und leichter als Eisen. Und bestimmte Legierungen, die mehrere Elemente kombinieren, sind sogar noch stärker. Starke, leichte Materialien ermöglichten leichte Körperpanzerungen, bessere medizinische Geräte und machten sicherere und schnellere Autos und Flugzeuge. Der einfachste Weg, beispielsweise die Reichweite eines Elektrofahrzeugs zu erhöhen, besteht nicht darin, die Batterie zu vergrößern, sondern das Fahrzeug selbst leichter zu machen, ohne Einbußen bei Sicherheit und Lebensdauer hinnehmen zu müssen. Aber traditionelle metallurgische Techniken sind in den letzten Jahren an ihre Grenzen gestoßen, und Materialwissenschaftler mussten noch kreativer werden, um neue leichte, hochfeste Materialien zu entwickeln.

Jetzt berichten Lee und Kollegen, 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 letzten Monat das Tauchboot Oceangate Titan in der Nähe der Titanic implodieren ließ.

Es ist 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.

Oleg Gang und Aaron Mickelson, Nanomaterialwissenschaftler an der Columbia University und am Brookhaven Center for Functional Nanomaterials, überzogen die DNA dann mit einer sehr dünnen Schicht aus glasartigem Material, die nur wenige hundert Atome dick war. 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 die dünne, makellose Glasschicht, wodurch das Material sehr stark wurde, und die Hohlräume, die den größten Teil des Materialvolumens ausmachten, machten es leicht. Dadurch weisen Glas-Nanogitterstrukturen eine viermal höhere Festigkeit, aber eine fünfmal geringere Dichte als Stahl auf. Diese ungewöhnliche Kombination aus geringem Gewicht und hoher Festigkeit wurde noch nie zuvor erreicht.

„Die Möglichkeit, mithilfe von DNA entworfene 3D-Gerüst-Nanomaterialien herzustellen und diese zu mineralisieren, eröffnet enorme Möglichkeiten für die Entwicklung mechanischer Eigenschaften. Bis wir es als Technologie einsetzen können, ist aber noch viel Forschungsarbeit nötig“, sagt Gang.

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. Zukünftige Materialien, die auf demselben Konzept basieren, sind als energiesparende Materialien für Fahrzeuge und andere Geräte, bei denen Festigkeit im Vordergrund steht, vielversprechend. 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.

„Ich bin ein großer Fan von Iron Man-Filmen und 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. Unsere Glas-Nanogitter wären also viel besser als alle anderen Strukturmaterialien, um eine verbesserte Rüstung für Iron Man zu schaffen.“