von DIRK EIDEMÜLLER
Sogenannte auxetische Materialien gehören zu den Sonderlingen in der Materialwissenschaft: Wenn man sie in die Länge zieht, werden sie nicht etwa schlanker wie andere Stoffe, sondern sie gewinnen sogar an Breite. Dieses ungewöhnliche Verhalten ist nicht nur technisch interessant. Sogar die Evolution des irdischen Lebens hat es bereits zum Einsatz gebracht. So ist die Haut von Kuhzitzen auxetisch. Der Vorteil für das Kalb ist klar: Es muss große Mengen Milch trinken und saugt deshalb kräftig an der Zitze. Da diese sich dabei noch verbreitert, kann die Milch ungehindert fließen.
Ähnliche Effekte sind auch von kristallinen Materialien bekannt. Schon 1888 beschrieb der Göttinger Physiker Woldemar Voigt die sogenannte negative Querkontraktion von Pyrit – wobei negative Kontraktion eben Ausdehnung bedeutet. Der Grund für dieses absonderlich erscheinende Verhalten sind Hebelkräfte im Inneren dieser Materialien, die einem Zusammenziehen entgegenwirken. Wegen dieser Eigenschaften gelten auxetische Materialien als aussichtsreiche Kandidaten für den Leichtbau und für elektromechanische Anwendungen – zum Beispiel als Sensoren.
„Wenn man etwa wissen will, ob sich eine Rohrleitung deformiert und ob sie irgendwann zu bersten droht, kann man diese Leitung mit einem hauchdünnen Nanomaterial überwachen“, erläutert Noah Stocek. Er arbeitet als Doktorand im Labor von Physikprofessor Giovanni Fanchini an der Western University in der kanadischen Provinz Ontario. Die beiden Wissenschaftler haben sich zusammen mit ihrem Kollegen Farman Ullah das Ziel gesetzt, ein ganz besonders auxetisches Material zu erzeugen, das sich sehr gut als hauchdünner Dehnungssensor eignet.
Materialrekord pulverisiert
„Unser Ziel war es, ein sogenanntes zweidimensionales Nanomaterial aus Wolframsemikarbid herzustellen“, berichtet Stocek. Denn Theoretiker hatten schon vor ein paar Jahren vorhergesagt, dass dieses Material ein außergewöhnlich starkes auxetisches Verhalten zeigen sollte. Bislang gab es nur ein einziges Nanomaterial, das um rund zehn Prozent an Breite gewinnt, wenn es auseinandergezogen wird. Diesen Rekord haben die kanadischen Forscher nun um Längen überboten: Ihr Wolframsemikarbid expandiert beim Strecken um erstaunliche 40 Prozent in der Breite.
Der Clou hinter diesem Erfolg liegt in der besonderen Strukturierung des Materials auf atomarer Ebene. Das Wolframsemikarbid ist zwar extrem dünn und besteht aus lediglich einer oder wenigen Atomlagen – das Kennzeichen eines 2D-Materials. Aber die Atome liegen nicht flach in einer Ebene wie bei vielen anderen 2D-Materialien und etwa auch bei Graphen. Denn solche flachen atomaren Strukturen würden keine Hebelkräfte zulassen, wie sie für ein auxetisches Verhalten nötig sind. Stattdessen hat das Material vereinfachend gesagt die Form eines Eierkartons, wobei je zwei Wolfram-Atome auf ein Kohlenstoff-Atom kommen. Wird eine Zugspannung an diesen atomar dünnen Eierkarton angelegt, passiert folgendes: Seine Kuhlen und Spitzen werden flacher, wie man es auch erwarten würde. Doch zugleich wird das Gebilde deutlich breiter.
