Springende Keramiken

Internationale Forschungskooperation zwischen Minnesota, Leipizig und Kiel findet Weg zu einem verformbaren Keramikmaterial im Fachmagazin Nature

Von der Kaffeetasse bis zur Badezimmerfliese gilt: Keramik ist zerbrechlich und das Material zerspringt beim Versuch, es zu verformen. Am anderen Ende des Materialspektrums stehen einige der am stärksten verformbaren Werkstoffe, die auch große Spannungen aushalten, sogenannte Formgedächtnislegierungen. Diese Metalle werden dank ihrer enormen Verformbarkeit zum Beispiel als medizinische Stents eingesetzt. Wie sich verformbare Formgedächtnismaterialien auch aus Keramik herstellen lassen könnten, beschreibt das Forschungsteam um Professor Eckhard Quandt und Professor Lorenz Kienle von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), Professor Andriy Lotnyk vom Leibniz-Institut für Oberflächentechnik (IOM), Leipzig, sowie Professor Richard James von der University of Minnesota (UMN), USA, in einem Artikel, der heute (Mittwoch, 17.11.2021) im Fachmagazin Nature erschienen ist.

Der Weg zu einem verformbaren Keramikmaterial war für die Promovierenden Hanlin Gu (UMN), Jascha Rohmer und Justin Jetter (beide CAU) alles andere als geradlinig. Sie versuchten es zunächst mit einer Methode, die sich bei der Entwicklung neuer metallischer Formgedächtnismaterialien bewährt hat. Bei einer Verformung durchlaufen diese Materialien verschiedene Phasen auf struktureller Ebene. Die Promovierenden wandelten nun die Zusammensetzung der Keramik ab, um so die Abstände zwischen den Atomen zu verändern und einen reibungslosen Übergang zwischen zwei Phasen zu ermöglichen.

Doch statt damit die Verformbarkeit des Materials zu verbessern, stellten sie fest, dass bei der Phasenumwandlung einige Proben in die Luft sprangen oder explodierten, andere zerfielen langsam zu einem Pulverhaufen.

Bei einer anderen Zusammensetzung konnten sie hingegen eine reversible Umwandlung beobachten, bei der das keramische Material problemlos zwischen Phasen hin- und herwechselt, ähnlich wie ein Formgedächtnismaterial. Die mathematischen Bedingungen, unter denen solch eine reversible Umwandlung auftritt, lassen sich breit anwenden und könnten einen Weg darstellen, um verformbare Formgedächtniskeramiken herzustellen, die zum Beispiel extremen Bedingungen besonders gut standhalten könnten.

"Das wäre eine völlig neue Art von Funktionsmaterial. Es besteht ein großer Bedarf an Formgedächtnisaktoren, die bei hohen Temperaturen oder in korrosiven Umgebungen funktionieren“, sagt Professor Richard James vom Department of Aerospace Engineering and Mechanics an der UMN. „Was uns aber am meisten begeistert, ist die Aussicht auf neue ferroelektrische Keramiken. Bei diesem Material kann die Phasenumwandlung genutzt werden, um aus kleinen Temperaturunterschieden, die dabei auftreten, Strom zu erzeugen."

Das Team aus Kiel und Leipzig war für den experimentellen Teil der Forschungsarbeit und die chemische und strukturelle Untersuchung auf der Nanoskala verantwortlich. "Die Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Richard James war sehr wichtig, um unsere experimentellen Ergebnisse zu erklären. Ihre Theorie beschreibt das unerwartete Verhalten der extrem inkompatiblen Materialien und eröffnet einen Weg, um kompatible Formgedächtniskeramiken herzustellen", sagt Eckhard Quandt, Professor für Anorganische Funktionsmaterialien an der CAU. "Unsere Zusammenarbeit mit der Gruppe von Eckhard Quandt war außerordentlich produktiv", bestätigt James, Angewandter Mathematiker und Material- und Ingenieurwissenschaftler. "Bei allen Überschneidungen bringt doch jede Gruppe eine Fülle von eigenen Ideen und Methoden ein, die unsere Möglichkeiten insgesamt erweitern.“

Das innovative Forschungsvorhaben von Eckhard Quandt wurde im Rahmen des Reinhart-Koselleck-Projektes „Kristallographisch kompatible keramische Formgedächtniswerkstoffe“, welches die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) von 2016-2021 mit insgesamt einer Million Euro unterstützt hat, gefördert. Richard D. James wurde außerdem gefördert durch ein Mercator Fellowship der DFG und ein Vannevar Bush Faculty Fellowship des U.S. Department of Defense “Mathematical Design of Materials”.

 

 

Originalpublikation

Exploding and weeping ceramics, Hanlin Gu, Jascha Rohmer, Justin Jetter, Andriy Lotnyk, Lorenz Kienle, Eckhard Quandt, Richard D. James, Nature (2021), 17.11.2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03975-5, https://www.nature.com/articles/s41586-021-03975-5

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Eckhard Quandt
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Anorganische Funktionsmaterialien
eq@tf.uni-kiel.de
+49 431 880-6200
www.tf.uni-kiel.de/matwis/afm/

Richard D. James
University of Minnesota
Distinguished McKnight University Professor, Aerospace Engineering and Mechanics
james@umn.edu
+1612-625-0706
https://dept.aem.umn.edu/~james/research/

Videos zur Publikation

Die Videos zeigen, wie eine keramische Materialprobe beim Abkühlen – anders als erwartet – explodiert (Video 1), in die Luft springt (Video 2) oder in einen Pulverhaufen zerfällt (Video 3) sowie schließlich eine funktionierende reversible Umwandlung (Video 4):

 

Zwei Herren vor einer Bücherwand
© Julia Siekmann, Uni Kiel

Forschen seit vielen Jahren gemeinsam zu neuen Formgedächtnismaterialien: Professor Eckhard Quandt (CAU, links) und Professor Richard D. James, University of Minnesota, hier bei einem Forschungsaufenthalt in Kiel 2019 (Archivbild).

 

Grafik
© Jascha Rohmer

Bei der Abkühlung durchlaufen die ZrO2-basierten Formgedächtniskeramiken die Phasenumwandlung von einer tetragonalen zu einer monoklinen Kristallstruktur. Oben (a): Obwohl die Zusammensetzung des Materials eine hohe Kompatibilität voraussagt, zerfällt die Keramik zu einem Pulverhaufen. Die Keramik im unteren Beispiel (b) erfüllt die passenden mathematischen Bedingungen und hält der Umwandlung stand (die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf des Phasenübergangs).

Über den CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

Pressekontakt:
Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)