Robert Klatt
Ein neues Material mit einem „Skelett“ aus DNA und fehlerfreiem Nanoglas ist leichter und stärker als Stahl. In Zukunft könnte das Material etwa dabei helfen, das Gewicht von Autos zu reduzieren.
Storrs (U.S.A.). Materialien, die Festigkeit und Leichtigkeit vereinen, könnten viele Produkte verbessern. Die beiden Eigenschaften schließen sich gewöhnlich gegenseitig aber aus. Forschern der University of Connecticut (UConn) um Seok-Woo Lee ist es nun gelungen, aus DNA und Glas ein starkes und leichtes Material zu produzieren.
„Bezogen auf die gegebene Dichte ist unser Material das stärkste bekannte.“
In der Physik ist bekannt, dass die Festigkeit eines Materials relativ ist. Eisen kann zum Beispiel sieben Tonnen pro Quadratzentimeter aushalten, hat aber auch ein hohes Gewicht von 7,8 Gramm/Kubikzentimeter. Legierungen, die verschiedene Metalle kombinieren, sind teilweise deutlich leichter und haben trotzdem eine höhere Festigkeit. Inzwischen sind die Materialwissenschaften in diesem Bereich aber an ihre Grenzen gekommen und konnten in den letzten Jahren mit metallurgischen Techniken die relative Festigkeit nur noch geringfügig erhöhen.
Fehlerloses Glas kann pro Quadratzentimeter einen Druck von zehn Tonnen aushalten. Das Material besitzt aber oft kleine Mängel, etwa Kratzer oder fehlende Atome und zerbricht dadurch deutlich früher. Laut der Publikation im Fachmagazin Cell Reports Physical Science haben die Forscher um Lee sich trotzdem dazu entschieden, Glas als Bestandteil ihres neuen Materials zu nutzen.
Weil es sehr schwierig ist, ein großes Stück Glas fehlerfrei herzustellen, nutzten sie stattdessen winzige fehlerfreie Stücke. Glas mit einer Dicke von unter einem Mikrometer besitzt nahezu immer keine Fehler. Zudem haben die Strukturen aus fehlerfreiem Nanoglas eine deutlich geringere Dichte als ähnliche Strukturen aus Metallen und Keramiken.
Die Forscher produzierten überdies eine Struktur aus DNA, die als „Skelett“ des Materials fungiert. Anschließend wurde die DNA mit einer sehr dünnen Schicht des glasähnlichen Materials, die nur wenige Hundert Atome dick ist, überzogen. Das DNA-Gerüst verstärkte die dünne, fehlerfreie Glasbeschichtung und machte das Material sehr stark, und die Hohlräume, die den Großteil des Materialvolumens ausmachten, machten es leicht. Die Glasnanogitterstrukturen sind fünfmal leichter und viermal stärker als Stahl. Laut Oleg Gang wurden solche Materialeigenschaften zuvor noch nie erreicht.
„Die Fähigkeit, maßgeschneiderte 3D-Rahmen-Nanomaterialien mit DNA zu erstellen und zu mineralisieren, eröffnet enorme Möglichkeiten für die technische Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Aber es ist noch viel Forschungsarbeit nötig, bevor wir es als Technologie einsetzen können.“
Laut den Wissenschaftlern kann das neue Material unter anderem zum Bau leichterer Autos und Körperpanzer verwendet werden.
Aktuell arbeiten die Forscher daran, das Glas durch Karbid-Keramiken zu ersetzen. Überdies sind Experimente mit unterschiedlichen DNA-Strukturen geplant, um zu untersuchen, welche Kombination die besten Materialeigenschaften bietet. Lee ist überzeugt, dass die DNA-Origami-Nanoarchitektur es ermöglicht, leichtere und stärkere Materialien zu erschaffen, die sich bisher auch die Forschung nicht vorstellen kann.
„Ich bin ein großer Fan der Iron-Man-Filme und habe mich immer gefragt, wie man eine bessere Rüstung für Iron Man herstellen könnte. Sie muss sehr leicht sein, damit er schneller fliegen kann. Sie muss sehr stark sein, um ihn vor Angriffen der Feinde zu schützen. Unser neues Material ist fünfmal leichter, aber viermal stärker als Stahl. Daher wären unsere Glasnanogitterstrukturen viel besser als jedes andere strukturelle Material, um eine verbesserte Rüstung für Iron Man zu schaffen.“
Cell Reports Physical Science, doi: 10.1016/j.xcrp.2023.101475
