Elastizität von Materialien verändert sich im Nanometerbereich

Ein Schwamm ist elastischer als ein Radiergummi, da er nach einer Verformung in seine Ausgangsform zurückkehrt. Das ist ein Phänomen, das für die Entwicklung neuer Materialien oft entscheidend ist. Physiker konnten nun erstmals experimentell belegen, dass sich die Elastizität eines Stoffes massiv verringert, wenn dieser in Poren mit einem Durchmesser von nur wenigen Millionstel Millimetern eingeschlossen wird. Dieser Effekt verstärkt sich dabei proportional zur Verkleinerung der Poren. Während dieser Zusammenhang bisher lediglich theoretisch vorhergesagt worden war, liefert die Studie nun den praktischen Nachweis für die veränderte Materialbeschaffenheit auf kleinster Ebene.

In der Medizin, den Ingenieurwissenschaften, im Bauwesen oder auch im Sport ist die Elastizität eine physikalische Größe, die für den Einsatz und die jeweilige Funktion eines Materials exakt angepasst werden muss. „Sie spielt aber auch eine Rolle bei der Frage, in welchem unterirdischen Gestein Kohlendioxid am besten gespeichert werden kann. Denn poröse Materialien verändern sich, wenn ihre winzigen Hohlräume mit gasförmigen oder auch flüssigen Substanzen gefüllt und dabei ihre Porenwände deformiert werden“, erklärt der Physiker Klaus Schappert, der die Studie gemeinsam mit Professor Rolf Pelster durchgeführt hat. Durch diese materialphysikalischen Erkenntnisse kann man besser verstehen, wie Gesteinsformationen auf die Aufnahme von Fremdstoffen reagieren.

Experimenteller Beweis: Nanoporen machen Materialien steifer

Die Einflüsse auf die Elastizität von Nanostrukturen und deren Auswirkungen auf Materialeigenschaften sind bereits seit Jahren Gegenstand der Forschung von Experimentalphysikern und Theoretikern. Simulationen und Berechnungen aus den USA deuteten bereits an, dass eindringende Flüssigkeiten oder Gase poröse Materialien nicht nur deformieren, sondern auch deren Elastizitätsverhalten verändern. Bisher fehlte dazu der praktische Beleg. „Wir konnten nun erstmals experimentell zeigen, dass je kleiner die Poren im Material sind, desto mehr Kraft aufgewendet werden muss, um diese zu verformen“, sagt Klaus Schappert. Damit bestätigt die Studie, dass die räumliche Begrenzung in der Nanowelt die mechanische Widerstandsfähigkeit eines Stoffes maßgeblich beeinflusst.

Enorme Versteifung: Argon-Experiment in Nanoporen glückt

Für ihre Messungen nutzten die Physiker Quarzglas mit extrem feinen Porenradien von 1,8 und 12,8 Nanometern. Dabei musste das Material für die empfindlichen Ultraschallmessungen eine möglichst homogene Struktur aufweisen. Die Poren dieser Proben wurden bei minus 187 Grad Celsius mit flüssigem Argon gefüllt, um die mechanischen Veränderungen zu untersuchen. „Obwohl Argon nur eine schwache Wechselwirkung mit der Porenwand aufweist, konnten wir zeigen, dass die Elastizität des eingefüllten Materials bei Nanoporen mit einem Durchmesser von 12,8 Nanometer doppelt so hoch ist wie bei den kleineren Poren mit 1,8 Nanometer Radius“, sagt Schappert. Dies belegt, dass bei besonders winzigen Porenstrukturen deutlich mehr Kraft aufgewendet werden muss, um das Material zu verformen.

Forschungsausblick: Wechselwirkungen in winzigen Hohlräumen optimieren

Die Physiker planen nun, das Verhalten von Materialsystemen mit noch stärkeren Wechselwirkungen zwischen festen und flüssigen oder gasförmigen Stoffen genauer zu untersuchen. Diese Erkenntnisse sind von weitreichender Bedeutung für verschiedene technologische Bereiche. „Dies ist nicht nur für die Kohlendioxidspeicherung entscheidend, sondern spielt überall eine Rolle, wo flüssige oder gasförmige Substanzen in die winzigen Hohlräume eines Materials hineinfließen und dort vorübergehend oder dauerhaft gespeichert werden sollen. Dabei kann es sich beispielsweise auch um Anlagen handeln, mit denen Schadstoffe absorbiert werden oder bestimmte Stoffe herausgefiltert werden sollen“, erläutert Klaus Schappert. Somit leisten die Untersuchungen einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung von Filtersystemen und effizienten Speicherlösungen.

Quelle

Universität des Saarlandes (04/2026)