Material-Innovation: Die unvergleichliche Leichtigkeit des Gels

Leicht, stabil – und extrem hohl: Forscher in Los Angeles haben ein zu 99 Prozent aus Luft bestehendes Material entwickelt, das extreme Temperaturschwankungen und Kraftwirkungen aushält. Sie stellen es im Fachblatt "Science" vor. Es kommt für verschiedenste Anwendungen infrage.

Gefrorener Rauch

Das "Aerogel" ist leichter als bisherige Vertreter dieser Materialklasse. Aerogele halten bei sehr geringer Masse sehr viel aus. Manche sind transparent, was ihnen zum Spitznamen „gefrorener Rauch“ verhalf. Sie bestehen hauptsächlich aus vielen, sehr kleinen Poren, die von einem Metall, von Kohlenstoffverbindungen oder anderen, anorganischen Materialien gebildet werden. Grundstoffe sind etwa Graphit, Gold oder verschiedene Keramiken. Allerdings hat bei Letzteren der Begriff „Keramik“ mit Tassen oder Schüsseln wenig zu tun. Er beschreibt eher bestimmte anorganische Verbindungen, die oft sehr beständig gegen Chemikalien und Feuer sind.

Bisher werden die Stoffe vor allem für Spezialanwendungen genutzt, denn ihre Herstellung ist sehr aufwendig. Siliziumoxid-Aerogele etwa kommen seit langem in Raumanzügen zum Einsatz. Und die Sonde „Stardust“ sammelte mit Hilfe eines solchen Materials Kometenstaubkörner ein. Anwendungen im Alltag gibt es seit kurzem: Einzelne Hersteller bieten Dämmstoffe für Hauswände an. Eingeschlossene Aerogele erzielen hier schon bei sehr dünnen Schichten starke Isolierwirkung. Sie sind besonders dort interessant, wo wenig Platz zur Verfügung steht. Auch im Automobilbau könnten die guten Isolationseigenschaften genutzt werden. Katalysatoren etwa benötigen Temperaturen von rund 800 Grad. Aerogele würden den Rest des Autos deutlich effektiver schützen als die derzeit eingesetzten dicken, schweren Faservliese. Auch in Wasserstoffautos könnten Aerogele eine wichtige Rolle spielen. Forscher haben jedenfalls gezeigt, dass ein mit Bor und Stickstoff versetztes solches Material die in einer Brennstoffzelle ablaufende Reaktion etwa genauso gut beschleunigt wie das teure Platin, das derzeit eingesetzt wird. Das erste dieser Materialien wurde schon 1931 in den USA hergestellt. Ein gewisser Samuel Kistler arbeitete damals mit klassischen Gelen, bei denen Flüssigkeit in schwammartige Netzwerke fester Stoffe eingelagert ist. Das wohl bekannteste Beispiel ist Gelatine. Kistler soll mit einem Kollegen gewettet haben, dass er es als erster schaffen würde, die Flüssigkeit durch ein Gas zu ersetzen, ohne dass die Gel-Struktur verloren geht.

Überkritische Verhältnisse

Seine Versuche, die Flüssigkeit einfach zu verdampfen, führten jedoch dazu, dass das Material wie ein misslungenes Soufflé in sich zusammenfiel. Kistler war letztlich mit einer Art Druckkochtopf und sogenanntem Wasserglas erfolgreich. Die Methode war noch sehr zeitaufwendig. Bald aber wurden „Sol-Gel“-Prozesse eingesetzt, bei denen in einer Flüssigkeit durch Reaktion feste Produkte entstehen. Die Teilchen vernetzen sich dann, wobei die Flüssigkeit in den Hohlräumen verbleibt. Danach kommt der kritische Schritt. Beziehungsweise der „überkritische“. So nennen Chemiker den Zustand, in den die Flüssigkeit versetzt werden muss, damit sich die Struktur beim Austausch mit Luft nicht verändert: Erhitzen unter hohem Druck bewirkt hier, dass die Flüssigkeit sich praktisch wie ein Gas verhält. Dadurch treten Kräfte, die sonst beim Verdampfen wirken, nicht auf, und die Poren können leicht entleert und mit Luft gefüllt werden. Die Forscher um Xiangfeng Duan von der University of California in Los Angeles nutzten jetzt ein noch komplexeres Verfahren. Das Gerüst besteht bei ihnen aus Bornitrid, das flache, wabenförmige Strukturen bildet. Diese sind schon sehr stabil. Sie werden dann in ein dreidimensionales, netzartiges Gebilde eingebaut, das sich sehr gut elastisch verformen lässt. Als Stützstruktur dient zunächst Graphen, eine Kohlenstoff-Variante, in der Atome auch wabenartig verknüpft sind. Das Graphen wird nach dem Aufdampfen des Bornitrids bei etwa 600 Grad verbrannt. Zurück bleibt ein Aerogel, das mit einer Dichte von 0,1 Milligramm pro Kubikzentimeter extrem leicht ist: Ein Kubikmeter wiegt gerade so viel wie eine Tafel Schokolade. Im Gegensatz zu Schokolade schmilzt es aber nicht, wenn man es erhitzt. Eine ganze Woche bei 1400 Grad Celsius überstand das Gel problemlos.

Kühle Blüte

Und dabei bleibt es nicht nur selbst intakt, es schirmt auch sehr gut gegen Hitze ab. Da die Luft in dem porösen Gitter nur sehr wenig Bewegungsspielraum hat, kann Wärme über Konvektion – also die Bewegung erwärmter Moleküle – kaum weitergegeben werden. Auch Wärmeleitung über das Bornitrid geht aufgrund der geringen Dichte des Materials nur langsam vonstatten. Duan und seine Kollegen konnten zudem nanometerkleine Brüche im Material feststellen, die eine Wärmeleitung weiter erschweren.
Um die Isolationswirkung zu verdeutlichen, platzierten die Forscher eine Blume auf einem Stück des Materials, das sie direkt über eine Alkoholflamme hielten. Noch nach 15 Minuten war die Blume intakt. Die Oberfläche, auf der die sie lag, hatte sich auf nur 45 Grad erhitzt.
Auch kurzfristige Temperaturänderungen verkrafteten die Proben gut. Anders als andere Keramik-Aerogele, die bei solchen Belastungen schnell brüchig werden, konnten auch Temperaturschwankungen von 275 Grad pro Sekunde dem Bornitrid-Material nichts anhaben. Damit empfiehlt sich das Aerogel unter anderem für die Raumfahrt, etwa für Satelliten in der Erdumlaufbahn, wo zwischen sonnenzugewandter und sonnenabgewandter Seite nicht selten mehrere hundert Grad Temperaturunterschied liegen.

Segeln zu den Sternen

Auch jenseits des Erdorbits wären Anwendungen möglich – etwa auf dem Weg zu Proxima Centauri, dem 4,2 Lichtjahre entfernten erdnächsten Stern. Die Materialwissenschaftler Manish Chhowalla und Deep Jariwala schlagen in einem Kommentar in „Science“ vor, aus dem Aerogel ein Lasersegel zu bauen. Dabei würden Laserstrahlen das Material auf rund 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Nach gut 20 Jahren vor Ort abbremsen müssten sie es dann aber auch wieder. Duan sieht neben solchen sehr speziellen Anwendungen aber noch weitere Möglichkeiten. „Der Prozess, der zur Herstellung dieses Aerogels genutzt wurde, lässt sich auch auf andere ultraleichte Materialien übertragen“, erklärt er. Diese könnten für Wärmespeicherung oder in Katalyse und Filtration Anwendung finden. Doch warum ist das neue Aerogel überhaupt so stabil? Der Schlüssel, sagt Duan, liege „in der einzigartigen Architektur“. Die innere Flexibilität der Struktur helfe, die Belastung durch extreme Hitze und Temperaturschocks abzufedern, da sie sich beim Erhitzen leicht zusammenziehe. Die allermeisten anderen Stoffe dehnen sich bei Temperaturerhöhung aus, was oft zu kleinen Brüchen führt. Und auch sonst verhält sich das Aerogel nicht so, wie man es erwarten würde: Es hat eine negative Poissonzahl. Das bedeutet, dass es, wenn man es auseinanderzieht, nicht dünner, sondern so lange dicker wird, bis es kaputtgeht. Ursache dieser paradox anmutenden Eigenschaft ist, dass das Material in seinem Normalzustand gleichsam gefaltet ist, und sich, wenn Zugenergie wirkt, entfaltet. Schon länger wird daran geforscht, ob man solche als „auxetisch“ bezeichneten Materialien etwa in schusssicheren Westen einsetzen könnte. Sie würden sich – als entgegengesetztes Phänomen der Ausdehnung bei Zug – bei einer Stauchung wie sie durch Auftreffen eines Projektils geschieht, sofort stark verhärten. Dadurch würde der Impuls effektiv verteilt und so dem Projektil seine Energie genommen.

Sarah Reim