Neue Technik erzeugt superharte Metalle aus Nanopartikeln

26.01.2021 - USA

Metallurgen haben alle möglichen Möglichkeiten, ein Stück Metall härter zu machen. Sie können es biegen, verdrehen, zwischen zwei Walzen laufen lassen oder mit einem Hammer auf es einschlagen. Diese Methoden funktionieren, indem sie die Kornstruktur des Metalls aufbrechen - die mikroskopisch kleinen kristallinen Domänen, die ein massives Stück Metall bilden. Kleinere Körner machen das Metall härter.

Jetzt hat eine Gruppe von Forschern der Brown University einen Weg gefunden, die Kornstruktur von Metallen von Grund auf zu verändern. In einer in der Fachzeitschrift Chem veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher eine Methode, mit der sich einzelne Metall-Nanocluster zu massiven, makroskopischen Brocken aus Vollmetall zusammenfügen lassen. Mechanische Tests der mit dieser Technik hergestellten Metalle zeigten, dass sie bis zu viermal härter waren als natürlich vorkommende Metallstrukturen.

"Hämmern und andere Härtungsmethoden sind alles Top-Down-Methoden, um die Kornstruktur zu verändern, und es ist sehr schwer, die Korngröße zu kontrollieren, die man am Ende erhält", sagt Ou Chen, Assistenzprofessor für Chemie an der Brown University und korrespondierender Autor der neuen Forschungsarbeit. "Was wir getan haben, ist, Nanopartikel-Bausteine zu schaffen, die miteinander verschmelzen, wenn man sie zusammenpresst. Auf diese Weise können wir einheitliche Korngrößen erhalten, die für verbesserte Eigenschaften präzise eingestellt werden können."

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Für diese Studie stellten die Forscher zentimetergroße "Münzen" mit Nanopartikeln aus Gold, Silber, Palladium und anderen Metallen her. Gegenstände dieser Größe könnten für die Herstellung von Hochleistungsbeschichtungsmaterialien, Elektroden oder thermoelektrischen Generatoren (Geräte, die Wärmeströme in Strom umwandeln) nützlich sein. Die Forscher sind jedoch der Meinung, dass der Prozess leicht skaliert werden könnte, um superharte Metallbeschichtungen oder größere industrielle Komponenten herzustellen.

Der Schlüssel zum Prozess, sagt Chen, ist die chemische Behandlung der Nanopartikel-Bausteine. Metallische Nanopartikel werden üblicherweise mit organischen Molekülen, so genannten Liganden, umhüllt, die im Allgemeinen die Bildung von Metall-Metall-Bindungen zwischen den Partikeln verhindern. Chen und sein Team haben einen Weg gefunden, diese Liganden chemisch zu entfernen, so dass die Cluster mit ein wenig Druck miteinander verschmelzen können.

Die mit dieser Technik hergestellten Metallmünzen waren wesentlich härter als normales Metall, wie die Forschung zeigte. Die Goldmünzen zum Beispiel waren zwei- bis viermal härter als normales Metall. Andere Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und Lichtreflexion waren praktisch identisch mit Standardmetallen, so die Forscher.

Die optischen Eigenschaften der Goldmünzen waren faszinierend, sagt Chen, denn es gab eine dramatische Farbveränderung, wenn die Nanopartikel in Bulk-Metall gepresst wurden.

"Aufgrund des so genannten plasmonischen Effekts sind Gold-Nanopartikel eigentlich violett-schwarz gefärbt", so Chen. "Aber wenn wir Druck ausübten, sahen wir, wie diese violetten Cluster plötzlich in eine helle Goldfarbe übergingen. Das ist eine der Möglichkeiten, wie wir wussten, dass wir tatsächlich massives Gold gebildet hatten."

Theoretisch, sagt Chen, könnte die Technik verwendet werden, um jede Art von Metall herzustellen. Tatsächlich zeigten Chen und sein Team, dass sie eine exotische Form von Metall herstellen können, die als metallisches Glas bekannt ist. Metallische Gläser sind amorph, das heißt, ihnen fehlt die sich regelmäßig wiederholende kristalline Struktur von normalen Metallen. Das führt zu bemerkenswerten Eigenschaften. Metallische Gläser lassen sich leichter formen als herkömmliche Metalle, können viel stärker und rissfester sein und weisen bei niedrigen Temperaturen Supraleitfähigkeit auf.

"Die Herstellung von metallischem Glas aus einer einzigen Komponente ist bekanntermaßen schwierig, daher sind die meisten metallischen Gläser Legierungen", so Chen. "Aber wir waren in der Lage, mit amorphen Palladium-Nanopartikeln zu beginnen und unsere Technik zu nutzen, um ein metallisches Palladiumglas herzustellen."

Chen sagt, dass er hofft, dass die Technik eines Tages für kommerzielle Produkte eingesetzt werden könnte. Die chemische Behandlung der Nanocluster ist relativ einfach, und der Druck, mit dem sie zusammengepresst werden, liegt im Bereich der industriellen Standardausrüstung. Chen hat die Technik patentiert und hofft, sie weiter zu erforschen.

"Wir glauben, dass es hier eine Menge Potenzial gibt, sowohl für die Industrie als auch für die wissenschaftliche Forschung", sagt Chen.

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