15.01.2020 - Iowa State University of Science and Technology

"Chamäleon-Metalle" verändern bei Hitze ihre Oberflächenstruktur

So wie ein Chamäleon seine Hautfarbe als Reaktion auf seine Umgebung ändert, haben die Ingenieure einen Weg gefunden, wie flüssiges Metall - und möglicherweise auch festes Metall - seine Oberflächenstruktur als Reaktion auf Wärme verändern kann.

Durch die Wärmebehandlung von Partikeln aus Flüssigmetall-Legierungen werden diese mit winzigen Kugeln oder Nanodrähten aufgerauht, berichteten Ingenieure der Iowa State University in einem Beitrag auf dem Cover der Ausgabe vom 2. Januar der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Kontrollieren Sie die Hitze und Sie können die Oberflächenmuster kontrollieren, sagte Martin Thuo, ein Iowa State Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, ein Mitbegründer des Ames Startup-Unternehmens SAFI-Tech Inc. und Hauptautor des Papiers.

Und wozu könnte diese abstimmbare Oberflächenstrukturierung führen?

Die Technologie könnte "das Design 'intelligenter' Legierungssysteme inspirieren, die die Oberflächenmuster und ihre Zusammensetzung mit der Temperatur (oder analogen Stimuli) für Anwendungen von der Sensorik bis zur Katalyse entwickeln", schreiben Thuo und sein Forschungsteam in ihrer Arbeit.

Die Koautoren des Papiers sind Andrew Martin und Winnie Kiarie, Doktoranden der Materialwissenschaften und des Ingenieurwesens des Bundesstaates Iowa, und Boyce Chang, ein Postdoc an der Universität von Kalifornien, Berkeley, der seinen Doktortitel im Bundesstaat Iowa erworben hat.

Das Forscherteam begann mit einer Flüssigmetall-Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, die zu Partikeln synthetisiert wurde, die mit einer glatten, chemisch stabilisierten Oxidhülle überzogen sind. Wenn die Partikel erhitzt werden, wird die Oberfläche dicker und steifer und beginnt sich mehr wie ein Festkörper zu verhalten.

Schließlich bricht die Oberfläche, so dass das flüssige Metall im Inneren an die Oberfläche kommt. Das reaktionsfreudigste, Gallium, bricht zuerst durch. Mehr Wärme bringt Indium an die Oberfläche. Und die höchste Hitze - etwa 1.600 Grad Fahrenheit - bringt Zinnblüten zum Vorschein.

Diese Bewegung von der Unterschicht zur Oberfläche ermöglicht es einem flüssigen Metallteilchen, "seine Zusammensetzung unter thermischen Reizen kontinuierlich umzukehren", schreiben die Forscher in der Arbeit.

"Die Partikel reagieren auf ein bestimmtes Maß an Wärme und geben ein bestimmtes Element auf der Basis der Temperatur ab, so wie ein Chamäleon auf die Farbe seiner Umgebung reagiert", so Thuo. "Darum sagen wir, es sind Chamäleon-Metalle - aber sie reagieren auf Hitze, nicht auf Farbe wie das Reptil."

Kiarie sagte, dass die Metallpartikel auf eine sehr kontrollierte Umgebung reagieren - Zeit, Temperatur und Sauerstoffgehalt werden von den Forschern sorgfältig kontrolliert.

Damit können die Forscher die genaue Oberflächenbeschaffenheit der Partikel vorhersagen und programmieren.

Martin sagte, die Technologie könne zur Feinabstimmung der Leistung eines Metalls als Katalysator oder seiner Fähigkeit, Verbindungen zu absorbieren, verwendet werden.

Die Forscher sagen auch, dass die Technologie mit anderen Metalllegierungen funktionieren wird.

"Das ist nicht nur bei diesen Materialien so", sagte Thuo. "Dies ist ein Verhalten von Metallen im Allgemeinen. Andere Metalle, die der gleichen Behandlung unterzogen werden, sollten dies tun. Dies ist eine universelle Eigenschaft von Metallen."

Das könnte Chamäleonmetalle zu einer sehr interessanten und nützlichen Technologie machen: "Wenn man über intelligente Materialien spricht, fallen einem Polymere ein", sagte Thuo. "Aber Metalle können auch das tun. Aber es ist eine große Bestie - man muss nur wissen, wie man sie zähmt."

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