Das seltsame Metall, das „sowohl stark als auch flexibel“ ist, ermöglicht den Bau superstarker künstlicher Muskeln für verwandelbare Flugzeuge und Roboter!

Autor: Li Chuanfu Shi Xiangqi

Mit der rasanten Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie steigen unsere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Materialien immer weiter. Insbesondere in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Robotik und künstliche Organe werden hohe Anforderungen an die Festigkeit und Flexibilität der Materialien gestellt. Kürzlich veröffentlichte ein wissenschaftliches Forschungsteam des Frontier Institute der Xi'an Jiaotong University und des National Key Laboratory of Metal Material Strength ein bahnbrechendes Forschungsergebnis in der Zeitschrift Nature. Ihnen gelang die Entwicklung einer neuen Art von Metalllegierung, die nicht nur über eine ultrahohe Festigkeit, sondern auch eine ultrahohe Flexibilität ähnlich der von Polymermaterialien verfügt und so neue Möglichkeiten für die Entwicklung zukünftiger Technologien eröffnet.

Bei der neuen Legierung handelt es sich um eine einzigartige Dehnungsglaslegierung mit zwei martensitischen „Keimen“ (DS-STG), die auf der Legierung Ti-50.8Ni basiert und durch einen innovativen dreistufigen thermomechanischen Behandlungsprozess hergestellt wird. Mit der Einführung dieser Legierung wurde die lange bestehende traditionelle Vorstellung aufgebrochen, dass metallische Werkstoffe nicht gleichzeitig fest und flexibel sein können. In der traditionellen Materialwissenschaft bedeutet hohe Festigkeit oft geringe Flexibilität, da hohe Festigkeit starke Atombindungen erfordert, die wiederum die Verformbarkeit des Materials einschränken. Mit der Entwicklung der DS-STG-Legierung wurde jedoch eine ultrahohe Festigkeit bei gleichzeitig ultraniedrigem Elastizitätsmodul erreicht, wodurch sie in einem weiten Temperaturbereich von -80 °C bis +80 °C eine gummiartige Flexibilität aufweist.

Aufgrund dieser „starken und flexiblen“ Eigenschaft verfügt die DS-STG-Legierung über ein großes Anwendungspotenzial in zukünftigen Technologiefeldern wie transformierbaren Flugzeugen, Superrobotern und künstlichen Organen. In der Luft- und Raumfahrt könnte die Legierung beispielsweise zur Herstellung von Flugzeugflügeln verwendet werden, die ihre Form an veränderte Flugbedingungen anpassen und so die Leistung und Treibstoffeffizienz des Flugzeugs verbessern. Im Bereich der Robotik können DS-STG-Legierungen zur Herstellung superstarker künstlicher Muskeln verwendet werden, wodurch die Bewegungen von Robotern flexibler und präziser werden. Darüber hinaus wird erwartet, dass diese Legierung auch im medizinischen Bereich eine wichtige Rolle spielt, beispielsweise um künstliche Gelenke flexibler und langlebiger zu machen.

Die erfolgreiche Entwicklung der DS-STG-Legierung profitierte von der umfassenden Forschung des wissenschaftlichen Forschungsteams zum Thema Dehnungsglas. Spannungsglas ist eine spezielle amorphe Legierung, die in ihrer Mikrostruktur eine ungeordnete Anordnung aufweist, im makroskopischen Sinne jedoch eine gewisse Elastizität und Plastizität zeigt. Durch die präzise Steuerung des Wärmebehandlungsprozesses bildete das Forschungsteam zwei Arten von Martensitkeimen mit spezifischen Ausrichtungen in der Legierung. Diese Keime können sich unter Belastung ungehindert in andere Phasen umwandeln und erreichen so einen extrem niedrigen Elastizitätsmodul und eine extrem hohe wiederherstellbare Dehnung.

Darüber hinaus weist die DS-STG-Legierung auch eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit auf. Nach mehr als 5 Millionen Belastungszyklen zeigte die Legierung noch immer keine Anzeichen von Ermüdungsversagen. Diese Eigenschaft ist von entscheidender Bedeutung für Luft- und Raumfahrtkomponenten und Robotergelenke, die über lange Zeiträume und mit hohen Frequenzen betrieben werden müssen.

Wir haben Grund zu der Annahme, dass durch die weitere Erforschung und Anwendung dieser neuen Legierung Konzepte, die einst nur in der Science-Fiction existierten, wie transformierbare Flugzeuge, Superroboter und künstliche Organe, allmählich Wirklichkeit werden. Dies ist nicht nur ein Spiegelbild des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts, sondern auch die Kristallisation menschlicher Weisheit.