Formgedächtnis bei Gold entdeckt

Goldpartikel heilen sich selbst

Materialien mit einem Formgedächtnis reparieren Schäden wie Kratzer, Risse oder Dellen selbständig und können ihre ursprüngliche Gestalt wieder annehmen. Zusammengesetzt sind sie aus mehreren Komponenten, die kombinierten Eigenschaften führen dann zu den gewünschten Effekten. Jetzt haben Forscher herausgefunden, dass auch winzige Partikel aus reinem Gold über Selbstheilungsfähigkeiten verfügen. Mithilfe der Erkenntnisse könnten künftig robuste Bauteile für Strukturen kleiner als ein tausendstel Millimeter konstruiert werden.

Es ist eine umständliche Aufgabe, Werkstoffe mit einem Formgedächtnis auszustatten. Bei reinen Metallen galten Selbstheilungskräfte, die mechanisch verursachte Schäden reparieren, bislang als unmöglich. Derartige Potenziale haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und am Technion – Israel Institute of Technology aber jetzt bei reinem Gold beobachtet.

Formgedächtnis bei Kunststoff und Metall

„Bislang hat man sich bei der Suche nach solchen Werkstoffen auf Kunststoffe aus vielen Bestandteilen und komplizierten Strukturen konzentriert“, sagt Christian Brandl am Institut für Angewandte Materialien – Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM). Die Kunststoff-Selbstheilungskräfte basierten allesamt auf der kollektiven Umwandlung der Phasen eines oder mehrerer Stoffe, aus denen sie zusammengesetzt sind – durch Erhitzen, Schmelzen oder Fällung, wobei sich die Materialeigenschaften ändern können.

Bei Metalllegierungen beruht der Formgedächtniseffekt auf dem Phänomen, dass sie in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können. Die Strukturen hängen von einer bestimmten Temperatur ab. Verändert sich diese, „erinnern“ sich die Metalle an ihre frühere Formgebung, die sie bei der jeweiligen Temperatur innehatten. Allerdings ist der Selbstheilungseffekt weder bei den Verbundstoffen noch den Legierungen jemals vollständig.

Bauteile für Strukturen kleiner als ein tausendstel Millimeter

Eine Selbstheilung bzw. ein Formgedächtnis von reinen Metallen, war bislang gänzlich unbekannt. Doch das hat eine internationale Forschergruppe jetzt bei Goldpartikeln beobachtet: Die vielgestaltigen Partikel nahmen nahezu vollständig ihre individuelle ursprüngliche Form wieder an. Irgendeine Verformung gab es nicht. „Das faszinierendste dabei ist, dass die wiederhergestellten Partikelformen nicht der mit der geringsten Oberflächenenergie entsprachen, was zu erwarten gewesen wäre“, sagt Brandl.

Zunächst hatten die Forscher Simulationen in Hochleistungsrechnern durchgeführt. Anschließend fügten sie mit der Messspitze eines Rasterkraftmikroskops den Partikeln mechanische Schäden zu. Die Wissenschftler stellten fest, dass sich durch Ausglühen bei Temperaturen weit unterhalb der Schmelztemperatur von Gold Goldatome entlang von Oberflächenstufen zurück in die Dellen bewegen und diese fast vollständig wieder auffüllten. Solche Oberflächenstufen treten in vielen verformten Metallen auf. Deshalb rechnet Brandl damit, dass auch andere Metalle über die beobachteten Selbstheilungseigenschaften verfügen. Die Forscher erwarten, dass mithilfe ihrer Ergebnisse, robuste Bauteile für Strukturen kleiner als ein tausendstel Millimeter konstruiert werden können.

Bild: KIT