Kurzbeschreibung

Der Film zeigt das kontrollierte Umformen von metallischen Nanowürfeln im Rasterelektronenmikroskop mit dem Ziel winzige Bauteile herzustellen. Der Vergleich eines Nanowürfels mit einem menschlichen Haar veranschaulicht dabei eindrücklich das Größenverhältnis.  Materialien im Nanobereich unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von denen in der makroskopischen Längenskala. Besonderheiten wie die vernachlässigbare Gewichtskraft (Manipulation und Positionierung beruht allein auf Adhäsionskräften) oder die im Makroskopischen undenkbare  enorme Festigkeit und Duktilität werden im Film dargestellt. Verschiedene Schmiedeverfahren zeigen den aktuellen Stand der Umformtechnik im Nanobereich und werden zur Veranschaulichung dem historischen Schmieden gegenübergestellt. Eine Einordnung (Makro->Mikro->Nano)  in Bezug auf bekannte mechanischer Systeme illustriert das Potential des Nanoschmiedens und gibt einen Ausblick auf ein mögliches Anwendungsfeld in  mechanischen Nano-und Mikrosystemen.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Das Verfahren „Schmieden metallischer Nanoteilchen“ wurde am Institut für Werkstoffe in Braunschweig entwickelt. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist die Forschung am IfW einzigartig auf diesem Gebiet.  Grundsätzlich umfasst das Projekt zwei  Forschungsschwerpunkte:

Zum einen wird das Umformen/Schmieden als mögliches Fertigungsverfahren für freistehende Strukturen im Nanobereich untersucht. Dabei werden unterschiedlicher Umformtechniken für die Herstellung  verschiedenster Bauteile entwickelt. Ziel ist die zurzeit noch getrennt und manuell gesteuerten Prozesse in einer Art Nanofabrik  zusammenzuführen und zu automatisieren.

Zum anderen stellt die Untersuchung der Materialeigenschaften im Nanobereich einen wichtigen Forschungsschwerpunkt dar. Insbesondere das mechanische Verhalten wird in Druckversuchen erforscht. Im Gegensatz zum makroskopischen Material mit gleicher Zusammensetzung  zeigen die betrachteten Nanoteilchen um ein Vielfaches höhere Festigkeiten (>2500 MPa) und sind dabei äußerst duktil mit enorm hohen  erreichten Umformgraden (ϕ>|1|).  Das ermöglicht das Umformen bei Raumtemperatur und gewährleistet zukünftig hochfeste geschmiedete Bauteile. Gründe hierfür sind die Struktur der Nanopartikel und im Besonderen das kleine Materialvolumen, für welches die Wahrscheinlichkeit von inneren Defekten verschwindend gering im Gegensatz zu makroskopischen Materialien ist.

Herstellung

Bei den Nanowürfeln handelt es sich um die γ ‘-phase der einkristallinen Nickelbasis Superlegierung CMSX-4. Die Teilchen mit der Stöchiometrie Ni3Al(Ti, Ta) werden elektrochemisch von der Matrix separiert und in Methanol dispergiert. Es handelt sich hierbei um Millionen von dispergierten Teilchen, die mit einem Tupfer auf einem Silizium-Substrat appliziert werden. Das Methanol verdampft, sodass allein die Nanowürfel auf dem Substrat zurück bleiben. Aus der großen Anzahl der regelmäßig geformten Nanowürfel wird schließlich ein einziger für das Schmieden ausgewählt.

Technik

Erst in einem Rasterelektronenmikroskop können diese Nanowürfel sichtbar gemacht werden und in situ mit einem hochpräzisen Manipulatorsystem und speziellen Werkzeugen positioniert und umgeformt werden. Analog zum Massivumformen im Makroskopischen kann zwischen ebenen Flächen (Freiformen) oder in Vertiefungen (Gesenkformen) geschmiedet werden. Der Materialfluss ermöglicht die Abbildung der jeweiligen Form. Beispielsweise konnte mittels Freiformen aus einem Nanowürfel mit einer Kantenlänge von 300 nm ein Plättchen mit einer Dicke von nur etwa 30 nm geschmiedet werden. Das Gesenkformen ermöglicht die getreue Abbildung der Gesenkkontur in nur einem Umformschritt und ist damit äußerst schnell und präzise.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Das Schmieden stellt eines der ältesten Fertigungsverfahren dar. Schon mehrere 1000 Jahre v. Chr. machten sich die Menschen die Umformtechnik zum Formen von Blechen aus Gold, Silber und Kupfer zu nutze. Mit der Verhüttung des Eisenerzes konnten auch mechanische hochbeanspruchte Werkzeuge und Maschinen durch Schmieden hergestellt werden.  Mit dem Schmieden wird meist ein dunkler rußiger Raum und ein Schmied vor einem Feuer assoziert, der mit den kräftigen Schlägen seines Hammers ein hellglühendes Stück Metall in einer Zange auf dem Amboss bearbeitet. Dieses Bild des historischen Schmieds wird im Film dem des „Nanoschmieds“ gegenübergestellt, der in einem sauberen und klimatisierten Raum mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops und eines Mikromanipulatorsystems unglaublich kleine Schmiedeteile im Nanobereich ohne Erwärmung umformt. Dabei haben die benutzten Werkzeuge die gleiche Bedeutung wie Hammer (abgeflachte Wolframnadel), Zange (äußerst feine, spitze Wolframnadel) und Amboss (Si-Substrat) des historischen Schmiedes. Nebenbei ist Film-Autor und Projektverantwortlicher Andreas Landefeld  in seiner Freizeit auch leidenschaftlicher Hobby-Schmied (siehe Video) und kann somit sehr gut die historische- als auch die innovative (nano) Interpretation des Schmiedens nachvollziehen.

Es  sind in der Nanoskala Besonderheiten wie die Adhäsionskraft derer Einfluss größer als die der Gewichtskraft ist und welche die winzigen Partikel auch „kopfüber“ an ihren Ort, in oft unwirklicher Position hält. Oder elektrische Potentialunterschiede die Abstoßungs- und Anziehungseffekte  zur Folge haben und in dieser Form in der „sichtbaren“, makroskopischen Welt nicht zu beobachten sind.  Besonders hervorzuheben sind ebenso die mechanischen Eigenschaften der Nanowürfel. Im Nanobereich können bei Raumtemperatur Umformgrade erreicht werden, die im Makroskopischen nicht denkbar wären. Die enorme Festigkeit in Verbindung mit der exzellenten Umformbarkeit prädestinieren diese Nanowürfel zum Fertigen von Bauteilen durch das Schmieden.

Die möglichen Anwendungsgebiete sind vielfältig. Überall wo hohe Funktionsdichten auf möglichst kleinen Raum gewährleistet werden müssen oder in Bereichen in denen der der Einsatzort Ausdehnungen im Nano/Mikrobereich fordert und die Ressourcen begrenzt oder durch Kosten limitiert sind. Beispielsweise könnten winzige Maschinen im medizinischen Bereich Aufgaben wie den gezielten Transport von Medikamenten an ihren Wirkungsort übernehmen oder auch bei der Behandlung von Krebs helfen. Aufgrund ihrer sehr guten mechanischen Eigenschaften ist auch ein Einsatz in mechanisch beanspruchten Mikrosystemen wie Aktoren und Sensoren denkbar.

Die Herstellung von Baugruppen im Mikro- und Nanomaßstab, sowie die Nanotechnologie im Allgemeinen wird zukünftig viele Bereiche des Lebens revolutionieren. Dabei soll der Film dem Zuschauer einen Einblick in die Welt des Kleinen geben, sowie ein grundsätzliches Verständnis der Eigenarten und Besonderheiten im Nanobereich vermitteln und so auf eines der wohl spannendsten Forschungsgebiete aufmerksam machen.