Diamantstempel machen Flächen wasserabweisend
Eigenschaften von Lotusblättern durch gezielte Abdrücke realisierbar
Mit einem Diamantstempel in Nanogröße können Forscher der Technischen Universität Darmstadt Metalloberflächen strukturieren. Je nach Muster sind sie danach wasser- und schmutzabweisend. Oder sie sind übersät mit winzigen Tanks für Schmierstoffe. „Diamant eignet sich dafür perfekt“, weiß Paul Braun, Doktorand im Fachgebiet Physikalische Metallkunde. „Das Material ist extrem hart und verschleißt kaum.“
Zweckentfremdetes Messgerät
Der Stempel ist nicht größer als die Spitze einer Nähnadel. Braun spannt sie in einen Nanoindenter ein, ein Gerät, mit dem normalerweise die Eigenschaften von Metallen ermittelt werden, etwa ihre Härte. Dazu drückt man die Diamantnadel in das Prüfobjekt. Die Kräfte, die dazu nötig sind und der zurückgelegte Weg von meist nur wenigen Dutzend Nanometern, lässt Rückschlüsse etwa über die Härte des Werkstoffes zu. Bei einer Werkstoffprüfung bleibt der winzige Abdruck der Messspitze zurück. Brauns Variante hinterlässt einen Stempelabruck.
Trotzdem zeigt der mit bloßem Auge nicht sichtbare Stempel Wirkung. Wenn Braun eine Probe mit zahlreichen Eindrücken verziert, bekommt sie eine Eigenschaft, etwa die von Lotusblättern. Wassertropfen kullern an ihnen herunter, weil sie auf der strukturierten Oberfläche keinen Halt finden. Sanitärporzellan wird bereits auf diese Art strukturiert. Die abrutschenden Wassertropfen nehmen jeglichen Schmutz mit.
Brauns Doktorvater Karsten Durst arbeitet seit Jahren daran, das Materialprüfgerät für andere Aufgaben zu nutzen. Eine davon ist das Prägen von Metall. Im großen Maßstab ist das nichts Neues. Münzen etwa werden so hergestellt. Im Nanobereich sind Durst und Braun dagegen Vorreiter. „Wir stehen beim Nanoprägen von metallischen Oberflächen erst ganz am Anfang und beschäftigen uns noch mit den Grundlagen der Technik“, sagt Durst.
Technische Hilfe aus Tschechien
Braun hat die Prüfspitzen aus Diamant in Stempel verwandelt. Das gelang ihm mit einer Ionenstrahltechnik, die der Mikroskophersteller Tescan im tschechischen Brno nutzt. Er kappte zunächst die Messspitze und ritzte dann in den Stumpf feinste Muster. Laser schaffen derart filigrane Strukturen nicht. Sie liegen in der Größenordnung 50 Nanometer, das ist 1.500 Mal dünner als ein menschliches Haar.
Nanoprägestempel könnten in normale Fertigungsprozesse von Metallbearbeitern integriert werden. „Wird Metall gewalzt oder ausgestanzt, könnte man die Oberfläche gleichzeitig prägen und so eine bestimmte Funktionalität einführen“, so Durst. Als Werkzeuge stellt er sich ganze Stempelfelder vor oder Walzen, auf denen zahlreiche Diamantstempel befestigt sind.
- K. Durst, V. Maier: Dynamic nanoindentation testing for studying thermally activated processes from single to nanocrystalline metals
- V. Maier, C. Schunk, M. Göken, K. Durst (2015): Microstructure-dependent deformation behaviour of bcc-metals–indentation size effect and strain rate sensitivity
- H. ur Rehman, K. Durst, S. Neumeier, AB. Parsa, A. Kostka, G. Eggeler, M. Göken (2015): Nanoindentation studies of the mechanical properties of the µ phase in a creep deformed Re containing nickel-based superalloy