Zwölf Stoffe mit Zukunft

Wie die Harvard-Chemikerin Joanna Aizenberg berichtet, widersteht die superglatte Oberfläche auch organischen Verschmutzungen. Sie lässt sich günstig produzieren und wird derzeit für Anwendungen entwickelt, etwa in Windturbinen, Flugzeugen, Treibstofftanks oder Kühlschränken.

Wasser aus der Luft

Befeuert durch den Klimawandel kommt es immer häufiger zu Dürreperioden. In vielen trockenen Regionen wird Wassermangel zum Problem. Kein Wunder, dass Forscher nach Möglichkeiten suchen, selbst unter größter Trockenheit noch Feuchtigkeit aus der Umwelt zu gewinnen. Vorbild ist der Nebeltrinker-Käfer aus der Namibwüste, der mit der eigenen Körperoberfläche Wasser aus den vom Atlantik in die Wüste ziehenden Nebelschwaden gewinnt.

Materialforscher der Rice University im texanischen Houston nutzen dafür sogenannte Zeolite, in diesem Fall mikroporöse Eisen-Aluminiumphosphate. Damit lässt sich Wasser aus der Luft abscheiden. Das Material ist fast überall verfügbar und chemisch unbedenklich. Erste darauf basierende Anlagen funktionieren schon ab 20 Prozent Luftfeuchtigkeit und benötigen als Energiequelle nur Sonnenlicht. Eine Anlage von der Größe eines Mikrowellenofens sammelt in trockener Umgebung bis zu zehn Liter Wasser pro Tag.

Edle Mixtur: Platin und Gold

Eine Legierung aus Platin und Gold haben Forscher der US-amerikanischen Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, geschaffen: ein Material, das fester alles alle bekannten Legierungen sein soll. Es wird aus 10 Prozent Gold und 90 Prozent Platin gemischt und ist rund 100-mal so widerstandsfähig gegen Abrieb wie hochfester Stahl, selbst bei Temperaturen von mehreren Hundert Grad Celsius.

Diverse Anwendungen im High-Tech-Bereich sind nach Ansicht der Sandia-Forscher denkbar: etwa in Handy-Adaptern, Computern und Komponenten für Satelliten, Flugzeuge oder Raumschiffe.

Selbstheilende Gele

Bei Gelen handelt es sich um schwammartige, dreidimensionale Netzwerke aus Polymeren, deren Poren mit Flüssigkeit, Gas oder einer Salzlösung gefüllt sind. Je nach Füllung der winzigen Hohlräume und weiteren Zutaten eröffnet das teils überraschende Eigenschaften – ob bei Hydrogelen, Aerogelen oder Ionogelen. Die vielleicht am wenigsten bekannten Ionogele speichern Salze, die bei Zimmertemperatur flüssig sind: sogenannte ionische Flüssigkeiten.

So kann eine Gel-Mixtur mit den Zutaten Aminopropyl-Metacrylamid, Polymeren, Glukose und Chloroblasten dauerhaft mit Kohlendioxid (CO2) aus der Luft reagieren, dabei wachsen und fester werden. Der Erfinder Michael Strano vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) sieht darin das erste nicht biologische Material, das CO2 bindet – und dabei Risse schließen kann.

So ließe sich das Polymer künftig als Material für Reparaturen, Bauten oder als Schutzschichten nutzen, erklärt der Chemieingenieur. Es sei ein „Material, das wie Bäume wachsen kann, indem es den Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid gewinnt“. Weil es CO2 aufnimmt, ist das Gel nicht nur kohlenstoffneutral, sondern kohlenstoffnegativ.

Ein anderes Material haben US-Forscher kürzlich aus einem Ionogel geschaffen. Es ist zäh und zugleich ungewöhnlich dehnbar. Solches Material lasse sich zwar deformieren, sagt Michael Dickey von der North Carolina State University, sei aber nur schwer zu zerreißen. Die Natur mache das vor, etwa bei Knorpeln. Doch solche Stoffe zu synthetisieren ist schwierig. Dickeys Ionogele sind deutlich zäher als Knorpel und können auf das Sechsfache gedehnt werden, bevor sie zerreißen. Sie können sich im gewissen Umfang selbst heilen und an frühere Formen erinnern.

Forscher prognostizieren für Ionogele eine breite Palette von Anwendungen: in Katalysatoren, Solarzellen, Batterien sowie in Medizin und Pharmazie. Da geht es um Wundverbände, Wirkstoffabgabe, Bioelektronik oder Sensorik.

Zellulose-Nanofasern

Forscher am schwedischen Königlichen Technologie-Institut KTH haben ein starkes, leichtes und biologisch abbaubares Material entwickelt. Es stammt aus Zellulose-Nanofasern, die aus Holz gewonnen werden. Die Nanofasern sind achtmal so steif wie Spinnenseide und gelten damit als das weltweit stärkste Biomaterial. Bezogen auf sein Gewicht übertrifft es an Festigkeit sogar Stahl.

Um es herzustellen, lösten die Experten zuerst die gewachsenen Holzfasern auf, bis sie nur noch Nano- und Mikrogroße Faserstückchen enthielten. Diese fügten sie danach mithilfe einer Polymermatrix wieder zusammen, diesmal in Reih und Glied. Dabei entstehen faserverstärkte Komposite, in denen alle Faserteile in gleicher Vorzugsrichtung orientiert sind.

Österreichische Holzforscher um Stefan Veigel vom Institut für Holztechnologie und Nachwachsende Rohstoffe in Wien sind angetan von den steifen und festen Zellulosematerialien. Ihre Eigenschaften machten das kunstvoll verdichtete Holz „zu einem echten Konkurrenten zu üblichen Baumaterialien wie Stahl, Aluminium oder Stahl“, meinen sie. Auch reißfestes Nanopapier aus Zellulose und verdichtetes Bambusholz ließen sich mit diesem Verfahren fertigen.

Ungebrannte Ziegel aus Bauschutt

Um Lehmziegel zu brennen, braucht es reichlich Energie. Ungebrannte Ziegel aus Bauschutt dagegen kommen ohne Brenngas und Zement aus. Das spart viel Energie und Kohlendioxid-Emissionen. Die ungebrannten Bausteine sehen gut aus und lassen sich in diversen Tönen einfärben. Sie gelten als genauso haltbar wie gebrannte Ziegel und sind überdies kostengünstiger als diese. Vor allem aber lassen sich damit rund 90 Prozent des Baustellenabfalls wiederverwerten, der sonst irgendwo verbuddelt werden müsste.

Entwickelt hat den effizienten Baustoff Gabriela Medero von der Heriot-Watt University im schottischen Edinburgh. Derzeit versucht die Ingenieurin, die Ziegel mit dem Start-up-Unternehmen Kenoteq und unter dem Markennamen „K-Briq“ marktfähig zu machen.

Hölzerne Schwämme

Holzschäume werden aus Cellulose gewonnen – einem Polysaccharid (Vielfachzucker) –, die aus den verholzten Zellwänden von Laub- und Nadelhölzern herausgelöst wird. Daraus lassen sich Holzschäume fertigen, mit denen sich Öl und Wasser voneinander trennen lassen – zum Beispiel in verschmutzten Seen oder Meeren. Ein Team um den chinesischen Wissenschaftler Xiaqong Wang am Institut für Holzindustrie in Peking hat dafür eine recht simple Lösung entwickelt. Darin wird Balsaholz zu Holzschwämmen verarbeitet.

Dazu entfernen die Forscher zunächst mit einer chemischen Prozedur die Hauptanteile der Holzzellen: Lignin und Hemicellulose. Das verwandelt die Holzzellen von einer spröden Honigwabenstruktur in eine weiche, blätterige Masse, die sich leicht zusammendrücken lässt – ein Holzschwamm, der fast das 50-Fache seines eigenen Gewichts aufsaugen kann. Um zu verhindern, dass die Schwämme zugleich auch Wasser aufsaugen, behandeln die chinesischen Holzforscher sie mit Silangas, was die Gewebe wasserabstoßend macht.

Der neuartige Schwamm aus Holz lässt sich vielfach wiederverwenden und speichert mehr Öl oder andere organische Abwässer als alle anderen derzeit verwendeten Schwämme und Absorber. Ein weiterer Vorteil: Die Balsa-Schwämme schwimmen auf dem Wasser, lassen sich also nach getaner Arbeit leicht von dort herausfischen.

Shrilks – Garnelen und Seide vereint

Kombiniert man die englischen Begriffe Shrimps (Garnele) und Silk (Seide), dann entsteht ein Shrilk. Am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University in den USA entwickelten Forscher einen biologisch abbaubaren Kunststoff. Mit seinen Bestandteilen Chitosan – einem Inhaltsstoff der Schalen von Shrimps – sowie dem Seidenprotein Fibroin ist Shrilk so fest wie Aluminium, aber nur halb so schwer. Es ist außerdem biokompatibel, flexibel und reißfest – das macht den Stoff attraktiv für medizinische Implantate und Transplantate.

Schäumendes Metall

Metallschäume sind hochporöse Komposit-Werkstoffe. Im Wesentlichen handelt es sich um schwammartige Packungen aus hohlen Kugeln. Da sie bis zu 90 Prozent Luft enthalten, sind sie leichter als viele Leichtbauteile oder Kunststoffe.

Die am häufigsten genutzten Aluminium-Schäume haben jedoch das Problem, relativ weich und nachgiebig zu sein. Einem Team um Stefan Diebels an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken gelang es nun, Metallschäume so zu verändern, dass sie immer noch leicht, aber zugleich sehr stabil sind. Die Forscher nahmen sich die Natur zum Vorbild: Knochen. Auch die müssen leicht sein und fest genug, um Gewicht zu tragen und Stöße abzufedern.

Das funktioniert dank eines inneren Gerüsts aus feinen Balken zwischen den Hohlräumen. Bei den Aluminium-Schäumen sind diese inneren Verbindungstücke zu nachgiebig. Diebels und sein Team griffen daher zu einem Trick: Sie tauchten die Schäume in ein galvanisches Bad, um hauchdünn verstärkendes Material aufzutragen.

Das eröffnet neue Anwendungen, zum Beispiel als mobile Schutzwände, um Stoßwellen bei Explosionen abzufangen. Auch im Leichtbau könnten die galvanisierten Metallschäume zum Zug kommen, als tragende Teile in Autos und Flugzeugen, aber auch zur Schalldämmung. Und als steife Verstrebungen könnten sie in Fahrzeugen bei einem Aufprall dazu beitragen, dass möglichst viel Energie absorbiert und so die Wucht der Kollision vermindert wird.

Leicht wie Plastik, härter als Stahl

2DPA-1 ist kein Science-Fiction-Roboter, sondern ein Material aus dem Labor des MIT-Chemikers Michael Strano. Es ist leicht und verformbar wie andere Kunststoffe, aber doppelt so fest wie Stahl, und lässt sich gut in großen Mengen produzieren. Der Stoff wird derzeit als ultradünne Beschichtung genutzt, um Dinge haltbarer zu machen. Künftig könnte er sogar Gebäude verstärken.

Der entscheidene Fortschritt liegt in einem neuen Verfahren zur Polymerisation, bei dem sich Makromoleküle in einer Ebene verknüpfen – es bilden sich also zweidimensionale Polymere. Die ebenen, dichten Molekülschichten sind undurchlässig für Gase. Um 2DPA-1 zu deformieren, braucht es vier- bis sechsmal so viel Kraft wie bei Stahl. Um es zu zerreißen, ist die doppelte Kraft erforderlich – obwohl der Werkstoff im Vergleich zu dem Metall nur ein Sechstel so dicht ist. Materialforscher sehen darin die Chance für Anwendungen, bei denen es auf eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht ankommt – etwa in der Weltraumtechnik.

Batterien aus Gummi

Je mehr Elektrofahrzeuge auf den Straßen unterwegs sind, desto dringender wird die Frage, wie sich ihre Reichweiten steigern lassen. Die bislang als Energiespeicher verwendeten Lithium-Ionen-Akkus benötigen große Mengen des teuren Rohstoffs Lithium. Auch das ebenfalls in den Batterien enthaltene Kobalt wird zum Problem. Denn das Übergangsmetall, das chemisch verwandt ist mit Eisen und Platin, war zuletzt immer wieder wegen Kinderarbeit in den Abbaugebieten im Kongo in den Schlagzeilen.

Materialforscher und Elektrochemiker arbeiten seit Jahren an besseren Batterie-Komponenten: Anoden, Kathoden, Elektrolyte. Batterien sollen weder giftig sein noch in Brand geraten oder gar explodieren können. Doch der Realitätstest lässt viele der neuen Konzepte bald wieder in den Schubladen verschwinden.

Anders bei einem neuen Batterie-Kandidaten, der 2022 die Fachwelt erstaunte: dank eines Elektrolyten aus synthetischem Kautschuk. US-Forscher des Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) könnten damit eine überraschende Alternative zu den Lithium-Ionen-Batterien entdeckt haben. Eigentlich sind polymerisierte Elektrolyten nicht besonders effizient, denn ihre Leitfähigkeit ist recht gering. Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus bewegen sich die Ionen daher durch flüssige Elektrolyten. Aber das kann gefährlich werden. Schon bei einer winzigen Beschädigung kann Flüssigkeit austreten und sich entzünden oder explodieren.

Den Batterie-Experten des Georgia Tech gelang es, Gummi in eine dreidimensionale Nanokristallphase umzuwandeln und in eine robuste Kunststoff-Matrix einzubetten. Diese 3D-Struktur entpuppte sich als eine Art Autobahn für den schnellen Transport von Lithium-Ionen. Gleichwohl blieb das Gummimaterial insgesamt fest genug, um damit Batterien mit größerer Reichweite zu fertigen. Auch brandgefährliche Leckagen lassen sich vermeiden. Die Gummi-Elektrolyte sind recht einfach bei niedrigen Temperaturen herstellbar. Jetzt fehlt nur noch der Test im realen Einsatz.

Supersubstanzen aus dem Weltraum

Es reicht nicht, bessere Stoffe zu komponieren. In vielen Fällen bilden sie erst dann ein neuartiges Material, wenn sie unter Mikroschwerkraft produziert werden. Schwerelos im Weltraum lassen sich Dinge synthetisieren, die am Erdboden nicht möglich sind.

Die junge britische Firma Space Forge in Cardiff schlägt vor, dazu Robotersatelliten in die Erdumlaufbahn zu schießen. Nach den Plänen des Start-up-Unternehmens sollten wiederverwendbare Satelliten jeweils ein halbes Jahr die Erde umkreisen und an Bord unter irdischen Bedingungen nicht herstellbare Werkstoffe produzieren, bevor sie mit der kostbaren Fracht wieder zur Erde zurückkehren.

Das Konzept nutzt Erfahrungen mit Experimenten, wie sie seit vielen Jahren auf der Internationalen Raumstation ISS durchgeführt werden. Schon 1998 zeigten die Astronauten dort, dass eine spezielle Faseroptik, ein Fluoridglas namens ZBLAN, eine viel höhere Qualität aufwies, wenn sie in Schwerelosigkeit gefertigt wurde. Die Weltraumfaserkabel konnten mehr Licht-Wellenlängen leiten und dadurch mehr Informationen transportieren – und das außerdem mit einer geringeren Absorption, also weniger Verlusten an Licht.

Halbleiter, die in der Schwerelosigkeit entstehen, sind weniger stark verunreinigt. Das könnte ihre Effizienz erhöhen und damit Computer verbessern. Auch neue Legierungen ließen im All aus Metallen fabrizieren, die sich auf der Erde gar nicht mischen lassen. Versucht man etwa auf der Erde Blei mit Aluminium zu vermengen, sinkt das Blei bloß zu Boden. „Aber im Weltraum gibt es kein oben oder unten“, erklärt Andrew Bacon von Space Forge. Dort lassen sich deshalb viel mehr Metalle miteinander mischen als auf der Erde.

Das Ganze ist zweifellos ein ehrgeiziges Vorhaben. Das britische Unternehmen plant, ofengroße Satelliten in eine Erdumlaufbahn in 480 Kilometer Höhe zu bringen. An Bord hätten sie alle nötigen Rohstoffe und automatisch arbeitenden Produktionsanlagen, um die neuen Legierungen herzustellen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…