Keramik, die sich wie Gummi biegen lässt, ohne zu brechen – was bislang wie ein Widerspruch klang, könnte bald Realität in der Hochtechnologie sein. Ein Forschungsteam aus China hat nach eigenen Angaben ein neuartiges Material entwickelt, das selbst extremen Bedingungen standhält: Es lässt sich zusammendrücken, erhitzen, einfrieren und sogar verbiegen, ohne zu zerbrechen. Die Entdeckung könnte weitreichende Folgen für Raumfahrt, Turbinenbau und andere Hochtemperaturanwendungen haben.
Keramik trifft Elastizität
Wie das Fachportal Interesting Engineering unter Berufung auf das Lanzhou Institute of Chemical Physics berichtet, sei es den Forschenden gelungen, ein sogenanntes keramisches Aerogel zu entwickeln, das sowohl hitzebeständig als auch elastisch sei. Herkömmliche Keramiken gelten zwar als hervorragende Wärmeschutzmaterialien, sind jedoch spröde – schon geringe mechanische Belastungen können zu Rissen oder Brüchen führen.
Aerogele, die größtenteils aus Luft bestehen, bieten zwar bessere Isolierungseigenschaften, sind aber noch empfindlicher als klassische Keramiken. Das neue Material aus Lanzhou soll nun die Vorteile beider Welten vereinen: Es isoliere besser als herkömmliche Hochtemperaturkeramiken und sei gleichzeitig extrem verformbar – laut Angaben der Forschenden lasse es sich um bis zu 98 Prozent zusammendrücken und kehre anschließend in seine ursprüngliche Form zurück.
Stabil von minus 196 bis plus 1.500 Grad Celsius
Das Material sei laut Bericht von Interesting Engineering sowohl bei extremen Kältewerten von minus 196 Grad Celsius – etwa der Temperatur von flüssigem Stickstoff – als auch bei Hitze bis zu 1.500 Grad Celsius stabil. Möglich mache dies eine spezielle atomare Struktur: Statt eines einzigen Metalloxids hätten die Forschenden fünf verschiedene Metallatome zufällig auf einem gemeinsamen Kristallgitter angeordnet. Dieses sogenannte „High-Entropy“-Verfahren verhindere, dass sich bei hohen Temperaturen Kristalle bilden, die die Struktur schwächen könnten.
Durch diese atomare „Unordnung“ werde außerdem die Wärmeleitung im Material stark reduziert. Gleichzeitig sei das Aerogel überraschend elastisch – eine Eigenschaft, die bei Keramiken bislang als nahezu ausgeschlossen galt.
Nanofasern als Schlüssel zur Flexibilität
Die Elastizität des Materials sei auf seine mikroskopische Struktur zurückzuführen, so die Forschenden. Das Aerogel bestehe aus einem Netzwerk von Nanofasern mit einem Durchmesser von etwa 250 Nanometern – das entspricht etwa einem Tausendstel eines menschlichen Haares. Diese Fasern seien zu einer Art dreidimensionalem Gerüst verflochten, das wie eine Spiralfeder auf Druck reagiere.
Durch diese Struktur könnten sich die Fasern bei Belastung biegen, stauchen und gegeneinander verschieben, ohne zu brechen. So werde die mechanische Spannung gleichmäßig verteilt und das Risiko eines strukturellen Versagens deutlich reduziert.
Potenzial für Raumfahrt und Hochtechnologie
Laut Angaben des Forschungsteams könnten solche keramischen Aerogele künftig in der Raumfahrt eingesetzt werden – etwa als Hitzeschilde für Raumkapseln oder als Dämmmaterial für Hyperschallflugzeuge. Auch in Turbinen oder Dichtungen, die extremen Temperaturen und Vibrationen ausgesetzt sind, sei der Einsatz denkbar.
Die vollständige Studie wurde im Fachjournal Advanced Science veröffentlicht.