Metallschäume

Leichte Metallschwämme.

Nach dem Vorbild der Natur haben Forscher:innen eine Technik zur Herstellung von Metallschäumen entwickelt. Das sind von der Natur inspirierte Materialien, die die poröse Struktur von Knochen nachahmen. Stell dir einen Schwamm vor, der komplett aus Metall besteht. Das einzigartige Design macht die metallenen Schäume superleicht, so dass sie auf Wasser schwimmen können. Und sie sind nicht nur leicht, sondern auch superstark.

Forscher:innen

Julia A. CarpenterZoubeir SarawAlain SchweglerTommaso MagriniGisela KuhnAhmad RafsanjaniAndré R. StudartNeri PasselovaMagali Häring

Institution

Complex Materials Group, ETH Zürich

Eigenschaften

Was ist daran so einzigartig?

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Poröse Struktur

Was den Metallschaum wirklich besonders macht, ist seine Porosität. Er imitiert biologische Materialien mit intelligenten und effizienten Strukturen wie Knochen oder Bambus, die Leichtigkeit mit Stärke verbinden. Ausserdem ähnelt er einem Meeresschwamm mit verschlungenen Kanälen, die eine schnelle und gründliche Wasserfilterung ermöglichen. Das Material enthält zahlreiche Hohlräume, die mit verschiedenen Substanzen wie Luft, Wasser oder anderen Flüssigkeiten gefüllt werden können. Je poröser ein Material ist, desto mehr Oberfläche hat das Material.

Zoome in die poröse Struktur der Metallschäume!

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Leichtgewichtig

Die knochenähnliche Porosität ist der Schlüssel dazu, dass dieses neue Material so leicht ist, dass es mit Hilfe einer wasserabweisenden Beschichtung sogar auf dem Wasser schwimmen kann. Ein Schaum aus Stahl wiegt nicht einmal halb so viel wie Aluminium!

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Stark

Aber porös bedeutet nicht gleich spröde! Diese Strukturen sind fest und widerstandsfähig. Unter Druck wird das Material steifer und steifer.

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Schnell abkühlen

Dank der grossen Oberfläche des Materials kühlt es sehr schnell ab. Es funktioniert genau wie ein Kühlkörper. Je grösser die Oberfläche, desto mehr Wärme wird abgegeben.

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Besonders saugfähig

Metallschäume haben die unglaubliche Fähigkeit, dicke, klebrige Flüssigkeiten wie Öl selektiv aufzusaugen, genau wie ein Schwamm.

*Metallschäume* können selektiv Öl mit hoher Viskosität aufnehmen.

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Magnetisch & elektrisch leitfähig

Da die Schäume aus reinem Metall wie Stahl, Kupfer oder Nickel hergestellt werden, behalten sie ihre Eigenschaften wie Magnetismus oder elektrische Leitfähigkeit.

Anwendungen

Passive Kühlung, Filterung, aber wofür kann es sonst noch verwendet werden?

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Elektronische Geräte verbrauchen weltweit eine Menge Energie - von Serverfarmen über unsere Telefone bis hin zum Aufladen unserer neuen Elektroautos. Allein die Kühlung dieser Geräte verbraucht eine beachtliche Menge an Energie. Metallschäume ermöglichen eine effiziente Kühlung, ohne aktiv Energie zu verbrauchen. Sie sind ideale passive Wärmetauscher und benötigen aufgrund ihrer grossen Oberfläche keine Ventilatoren.

Ein weiterer Vorteil der porösen Strukturen und der schwammartigen Beschaffenheit des Schaums ist seine Fähigkeit, Flüssigkeiten zu absorbieren und gleichzeitig die für praktische Anwendungen erforderliche Festigkeit zu behalten. Das bedeutet, dass die Schäume auch zur Filtration oder als Katalysator für die Herstellung von Wasserstoff verwendet werden können. Andere erforschte Anwendungen sind die Verwendung als Elektroden für Batterien. Wofür würdest du einen Metallschaum verwenden?

Metallschaum-Muster, die auf dem REFRESH Design Festival ausgestellt wurden.

Zusammensetzung

Metallschäume haben dreistufige, hierarchische Poren, d.h. miteinander verbundene Poren mit unterschiedlichen Grössen. Diese verschiedenen Porengrössen arbeiten wie ein Dreamteam zusammen und verstärken die Kapillarkräfte - das heisst, wie schnell der Schaum Flüssigkeiten aufsaugen kann.

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Metallschäume werden aus gewöhnlichen Metallen wie Eisen, Stahl, Nickel oder Kupfer hergestellt. Was dieses Material auszeichnet, ist seine besondere Struktur.

Muster von Metallschäumen aus Eisen, Stahl, Nickel und Kupfer.

Herstellung

Wie macht man Metall porös?

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Um diese porösen Metallstrukturen herzustellen, verwenden die Forscher:innen einen sogenannten Nassschaum. Dieser Schaum besteht aus winzigen Luftblasen, die von Wasser mit Metallpartikeln umgeben sind. Der Schaum wird dann geformt - durch Formen, Giessen oder 3D-Druck - und getrocknet. Zu guter Letzt wird das Material erhitzt, um die Metallpartikel in einem Prozess namens Sintern in festen Stahl zu verwandeln.

Je nachdem, wie der Schaum geformt und erhitzt wird, können Metallstrukturen mit einer, zwei oder drei Porenebenen geschaffen werden. Wie beim Bau eines Wolkenkratzers aus Poren wird mit jeder Ebene eine weitere Ebene von Löchern und eine noch grössere Oberfläche hinzugefügt.