Nanopartikel einbauen: Selbstheilende Metalle

Ob Schäden in der Autokarosserie oder tragende Brückenelemente: Selbstheilende Metalle könnten in Zukunft mechanische Defekte ohne externen Einfluss reparieren und so zu ihrer ursprünglichen Funktionalität zurückkehren.

Die Autorin: Yasmin Ahmed Salem, Referentin für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, Max-Planck-Institut für Eisenforschung, Düsseldorf

Die Forschungsgruppe Adaptive Strukturwerkstoffe um Dr. Blazej Grabowski und Dr. Cem Tasan am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf führt das Prinzip der Selbstheilung für Metalle ein. Die beiden Wissenschaftler werden seit Juli 2014 mit rund 400 000 Euro für drei Jahre vom Schwerpunktprogramm 1568 der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Ziel ist es, eine neue Generation selbstheilender Materialien für verschiedene technologische und medizinische Anwendungen zu entwickeln.

Besonders interessant sind selbstheilende Materialien bei Anwendungen mit Bauteilen, die nur beschränkt zugänglich sind (z. B. in Windparks) oder bei Anwendungen, deren Materialien besonders zuverlässig sein müssen (z. B. in der Luft- und Raumfahrt). Die beiden Max-Planck-Wissenschaftler kennen bereits den Einfluss von sogenannten Phasenumwandlungen auf die mechanischen Eigenschaften von Metallen. Dabei ist eine Phase ein räumlicher Bereich innerhalb eines Materials, bei dem die Zusammensetzung der Materie und bestimmende physikalische Parameter, wie die Dichte, homogen sind. Die Umwandlung von einer Phase in eine andere kann u. a. durch mechanische Verformung verursacht werden.

Das Material erinnert sich an seine ursprüngliche Form

Die Idee der beiden Gruppenleiter ist nun, Nanopartikel aus Titan und Nickel in potenzielle Rissbildungsstellen einzubauen. Diese Nanopartikel sind aus einer sogenannten Formgedächtnislegierung, also einer Materialkombination, die sich nach mechanischer Verformung an ihre ursprüngliche Form erinnert und in diese zurückkehrt. Tritt ein Defekt in einem Bauteil auf, so erinnert sich das Material dank der hinzugefügten Nanopartikel an seine ursprüngliche Mikrostruktur und kehrt zu dieser zurück. Somit würde der Defekt von selbst heilen und Reparaturkosten sparen.

Bei dieser Idee gibt es vier konkrete Herausforderungen: Zuerst muss ein Materialsystem gefunden werden, dessen Mikrostruktur es erlaubt, gezielt Nanorisse einzubauen in die die Formgedächtnis-Nanopartikel eingefügt werden. Dies ist bei früheren Ansätzen nur in makroskopisch großen Kristallen gelungen. Hinzu kommt, dass bisherige Formgedächtnislegierungen immer einen externen Trigger in Form von Wärme, Magnetismus oder mechanischer Umformung brauchten. Grabowski und Tasan wollen aber Formgedächtnislegierungen einbauen, die ohne externe Hilfe in ihre ursprüngliche Form zurückkehren und somit erlauben, dass das Material sich vollständig von selbst repariert.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelten die Wissenschaftler ein einmaliges Konzept. Grabowski aus der Abteilung Computergestütztes Materialdesign stellt mithilfe der Quantenmechanik Leitlinien auf, um die Auswahl passender Materialsysteme zu begrenzen. Tasan aus der Abteilung Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign stellt mittels Hochdurchsatzverfahren – das ermöglicht in wenigen Tagen verschiedene Materialkombinationen herzustellen – diese Materialsysteme her und testet ihre Eigenschaften. Nur diese Kombination aus Theorie und Experiment ermöglicht den erzielten Fortschritt: Die Materialwissenschaftler haben bereits ein Modellmaterialsystem gefunden und die grundlegende Charakterisierung der Mikrostruktur abgeschlossen. Im nächsten Schritt wird die Herstellung erfolgen, um die theoretischen Vorhersagen zu überprüfen.

Im Schwerpunktprogramm 1568 der Deutschen Forschungsgemeinschaft wird seit 2011 versucht, das Konzept der Selbstheilung bei verschiedenen Materialien zu untersuchen, wobei sich die bisherigen Forschungsansätze vor allem auf Polymere und Keramiken aufgrund ihrer relativ einfachen chemischen Prozesse und Reaktionen bei Raumtemperatur konzentrierten. Selbstheilungsprozesse bei Metallen wurden bisher nur für Oberflächen oder Hochtemperaturwerkstoffe untersucht. Grund hierfür ist, dass bei Oberflächen chemische Reaktionen u. a. durch polymerische Beschichtungen relativ einfach erzielt werden können. Bei Hochtemperaturwerkstoffen werden Selbstheilungsprozesse aufgrund der hohen Temperaturen angestoßen. I