Forscher der Brown University haben einen neuen Weg gefunden, Nanopartikel zu verschmelzen und somit Metalle zu härten. Sie zerstören nicht, wie es beim Schmieden oder Walzen üblich ist, die inneren Strukturen der Metalle, sondern wählen den umgekehrten Weg. Sie verbinden nanometergroße Klumpen aus feinstem Pulver so miteinander, dass Korngrenzen ausbleiben. Derart hergestellte Metalle sind bis zu viermal härter als jene, die mit klassischen metallurgischen Techniken behandelt wurden.
Optimale Korngröße als Ziel
„Schmieden und andere Härtungsverfahren sind Top-Down-Methoden zur Veränderung der Kornstruktur und es ist sehr schwierig, die Korngröße zu erreichen, die optimale Härte ermöglicht. Wir haben stattdessen Nanopartikel-Bausteine geschaffen, die beim Zusammendrücken miteinander verschmelzen. Auf diese Weise können wir einheitliche Korngrößen erzielen, die präzise auf die gewünschten Eigenschaften abgestimmt werden können“, so Assistenzprofessor Ou Chen.
Chens Team hat mit dieser Methode runde Plättchen, die sie „Münzen“ nennen, aus Gold, Silber, Palladium und anderen Metallen hergestellt, die keinen praktischen Nutzen haben, außer dass die Forscher bewiesen, dass ihre Verschmelzungstechnik funktioniert. Doch sie glauben, dass sie auch Werkzeuge wie Bohrer mit extrem harten Metallen beschichten oder thermische Generatoren herstellen können, die Abwärme in Strom umwandeln. Auch größere Bauteile für industrielle Anwendungen seien machbar.
Nanopartikel frei von Liganden
Der Schlüssel für das Funktionieren der Verschmelzung der Nanopartikel zu superfesten Verbindungen liegt laut Chen in der Chemie. Normalerweise verhindern sogenannte Liganden, das sind Moleküle oder Atome, die sich auf der Oberfläche von metallischen Nanopartikeln anlagern, die innige Verschmelzung der winzigen Teilchen. Chen ist es gelungen, diese Liganden abzuwaschen, sodass sich die Nanoteilchen schon bei geringem Druck miteinander verbinden, ohne Fehlstellen zuzulassen, die die Festigkeit reduzieren. Die Metalle behielten, wenn sie auf die neue Art hergestellt wurden, ihre sonstigen Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit.
Herstellung metallischer Gläser möglich
Mit dem neuen Verfahren lassen sich sogar metallische Gläser herstellen. Diese heißen so, weil ihnen die für Metalle übliche Kristallstruktur fehlt. Sie sind amorph wie richtiges Glas. Metallische Gläser sind sehr hart, lassen sich jedoch leichter verformen als kristalline Metalle. Zudem neigen sie weniger zu Rissbildungen.
Die Herstellung von Metallglas aus einer einzigen Komponente ist bekanntermaßen schwierig, daher sind die meisten Metallgläser Legierungen. Wir konnten jedoch mit amorphen Palladium-Nanopartikeln beginnen und mit unserer Technik ein Palladium-Metallglas herstellen.
Ou Chen, Assistenzprofessor Chemie Brown University
Ou Chen hofft, dass die Technik eines Tages für kommerzielle Produkte weit verbreitet sein könnte. Die chemische Behandlung der Nanocluster ist recht einfach. Der notwendige Druck, mit denen sie zusammengedrückt werden, liegt im Bereich der industriellen Standardausrüstung.