Wissenschaftler des California Institute of Technology und der Tsinghua-Universität haben eine neue Methode entwickelt, um nanoskaliert präzise dreidimensionale Metallbauteile herzustellen. Dieses Verfahren ist für verschiedene Metalle oder Legierungen geeignet. Die hergestellten Komponenten weisen zwar mikrostrukturelle Defekte auf, zeigen aber eine bemerkenswerte Festigkeit und haben Anwendungsperspektiven in Bereichen wie medizinischen Geräten, Computerchips und Raumfahrtausrüstung.
Die Forscher haben ihre Technik in einer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ ausführlich beschrieben. Die von Professorin Julia R. Greer vom Caltech und Hu Jianguo von der Tsinghua-Universität gemeinsam geleitete Studie nutzt die Zwei-Photonen-Lithographie, um winzige Objekte durch Kontrolle der Geometrie einzelner Voxel schrittweise aufzubauen. Der Prozess beginnt mit einer lichtempfindlichen Flüssigkeit, in der mittels eines Femtosekundenlasers Formen in einem Hydrogel erzeugt werden. Anschließend werden Metallsalze wie Kupfernitrat injiziert und durch zwei Hitzebehandlungen zu Metallreplikaten umgewandelt.
„Hier geschieht das Wunder“, so Greer. Der Erhitzungsprozess entfernt zunächst die organischen Verbindungen und hinterlässt Metalloxide wie Nickeloxid. Manchmal ist das Produkt an diesem Punkt fertig. Bei anderen Materialien entfernt eine zweite Erhitzung unter reduzierender Atmosphäre den Sauerstoff, um reine Metallstrukturen zu bilden. Dieser Schritt führt zu einer Volumenschrumpfung von bis zu 90 %, wodurch Komponenten wie Gitterstrukturen oder Wärmetauscher entstehen, die kleiner als 50 Mikrometer sind und deren Bausteine im Nanometerbereich liegen.
Bei der Analyse dieser nanoskalierten 3D-Metallbauteile stellte das Team fest, dass sie Poren, Korngrenzen und andere Defekte enthalten, die auf makroskopischer Ebene normalerweise zu sprödem Material führen. Als die Wissenschaftler jedoch die tatsächlichen mikrostrukturellen Details in ihre Modelle einbezogen, sagten diese eine bis zu 50-fach höhere Festigkeit voraus als bei vergleichbaren makroskopischen Metallen – ein Ausdruck des „kleiner ist anders“-Effekts auf der Nanoskala.
Greer betont, dass das Modell von Kooperationspartnern an der Nanyang Technological University in Singapur entwickelt wurde und auf der Mikrostruktur tatsächlich hergestellter Bauteile basiert, nicht auf idealisierten Annahmen. „Wir haben die exakte Mikrostruktur, die wir gefunden haben, in das Modell eingesetzt. Das ist keine Extrapolation. Das ist nicht repräsentativ. Das ist die tatsächliche Mikrostruktur, die wir hergestellt haben“, erklärte Greer. Dies ermöglichte es dem Modell erstmals, die Bauteilfestigkeit genau vorherzusagen.
Veröffentlichungsdetails: Autor: Kimm Fesenmaier, California Institute of Technology; Titel: „Nano 3D metallic parts turn out to be surprisingly strong despite defects“; erschienen in: „Nature Communications“ (2026).
