Das Bild oben von einem Metallgitter, das auf dem Kopf eines Löwenzahns sitzt, ohne einen einzelnen gefiederten Büschel zu stören, sieht möglicherweise wie ein Photoshop aus. Aber es ist nicht. Es ist ein echtes Foto einer der interessantesten Entwicklungen in der jüngeren Materialwissenschaft - ein Metall-Mikrogitter, das 100-mal leichter als Styropor ist.
"Es ist im Grunde genommen 99, 9 Prozent Luft", sagt Sophia Yang, eine Forscherin bei HRL Laboratories, wo das Mikroraster erfunden wurde.
Um das Metallmikrogitter herzustellen, beginnen die Wissenschaftler mit einer Polymerstruktur. Diese Struktur wird erzeugt, indem ultraviolettes (UV) Licht durch einen Filter auf flüssiges Polymer gerichtet wird. Der Prozess bildet fast augenblicklich eine gehärtete 3D-Struktur. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Polymers kann die resultierende Struktur weich oder starr, leicht oder schwer sein. Diese Mikrogitterstrukturen haben selbst eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten - ein weiches Polymer-Mikrogitter könnte beispielsweise für die Herstellung komfortabler, aber äußerst schützender Fahrradhelme nützlich sein.
"Es fühlt sich fast an wie Memory-Schaum", sagt Yang.
Um die Metallstruktur im Löwenzahnbild zu erzeugen, wird eine Polymerstruktur mit einer extrem dünnen Nickelschicht überzogen - etwa 100 Nanometer dick oder 1000 Mal dünner als ein menschliches Haar. Dann wird eine chemische Verbindung verwendet, um das Polymer im Nickel aufzulösen. Das Ergebnis ist eine Reihe von Hohlrohren.
Die Struktur ahmt die Zusammensetzung der Knochen nach, die außen starr, innen jedoch meist hohl sind.
Die Forscher des HRL arbeiten seit 2007 an dem Mikroraster, als das Verfahren zur Erzeugung des Polymer-Mikrorasters erstmals geschaffen wurde. Yang und andere haben seitdem daran gearbeitet, das Produkt zu vergrößern - das erste Stück Polymermikrogitter war etwa 1 Zoll mal 1 Zoll groß, während neuere Strukturen eine Länge von 5 Fuß aufwiesen - und zusätzliche Prozesse wie die Metallisierung entwickelt .
Da sich HRL im gemeinsamen Besitz von Boeing und General Motors befindet, haben sich die Forscher auf Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie für Mikrogitter konzentriert. Eine der vielversprechendsten Einsatzmöglichkeiten könnte laut Yang die Luftfahrt sein, bei der verschiedene Teile der Flugzeugstruktur aus dem ultraleichten Metallmikrogitter hergestellt werden könnten. Dies könnte jeder Teil des Flugzeugs sein, der „leicht und dennoch strukturell einer Last standhalten muss“, sagt Yang.
Dies umfasst den Boden, die Decke, die Bordküchenwände, die Toilettenwände und mehr eines Flugzeugs. Diese Strukturen bestehen typischerweise aus Wabensandwichpaneelen, wobei massive Materialbahnen hohle sechseckige Säulen "einklemmen", die Waben ähneln. Wabensandwichplatten sind aufgrund ihrer Festigkeit und ihres geringen Gewichts weit verbreitet. Das Metallmikro-Gitter ist jedoch viel leichter. Das Ersetzen von Wabensandwichplatten durch Mikrogitter könnte Flugzeuge erheblich leichter machen, was bedeutet, dass sie weniger Kraftstoff benötigen würden. Dies hat sowohl große als auch wirtschaftliche Umweltvorteile. Dasselbe Prinzip könnte für Autos und sogar für Raumschiffe gelten - HRL wurde kürzlich für die Zusammenarbeit mit der NASA bei der nächsten Generation der Trägerrakete genutzt, um ultraleichte Paneele für den Rumpf des Fahrzeugs herzustellen. Forscher schätzen, dass ihre Materialien das Fahrzeuggewicht um bis zu 40 Prozent senken könnten.
"Leichte und multifunktionale Materialien und Strukturen sind einer der Hauptschwerpunkte der NASA, die den größten Einfluss auf zukünftige NASA-Missionen in der Erforschung von Menschen und Robotern haben können", sagte Steve Jurczyk, Administrator der NASA-Mission für Weltraumtechnologie, in einer Pressemitteilung der NASA. "Diese fortschrittlichen Technologien sind notwendig, damit wir stärkere und dennoch leichtere Raumschiffe und Komponenten starten können, wenn wir einen Asteroiden und schließlich den Mars erforschen wollen."
Etwas weiter entfernt könnte ein Metallmikro-Gitter für medizinische Zwecke eingesetzt werden. Die winzigen Röhren könnten als künstliche Lunge verwendet werden, sagt Yang.
Das gleiche Material wie beim Bau von Raketenschiffen durchatmen: Jetzt lebt es in der Zukunft.
