Gedächtnismetall hält zehn Millionen Verformungszyklen stand

Einmal verbogen können Gedächtnismetalle wieder ihre ursprüngliche Form annehmen. Dank dieser Fähigkeit wird bereits daran gedacht, künstliche Herzklappen aus diesem Material zu fertigen. Diesem Ziel kommt eine Forschergruppe nun deutlich näher. Wie das Team in der Fachzeitschrift „Science“ berichtet, fand es eine spezielle Legierung, die über zehn Millionen Mal ihre Form wechseln konnte – ohne Schaden zu nehmen.

Kristallstruktur der neuen Legierung

Das bekannteste Gedächtnismetall ist eine Legierung aus gleichen Anteilen Titan und Nickel, kurz Nitinol. Wird dieses Material um bis zu acht Prozent verformt, wechselt der Kristallaufbau von einer kubischen Austenit- in eine metastabile Martensitstruktur und wärmt sich dabei etwas auf. Wieder abgekühlt nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Kristallstruktur und Form an. Diese Superelastizität funktioniert allerdings nur für einige Hundert Zyklen. Danach ermüdet das Material und bildet einzelne Risse. Doch Christoph Chluba und seine Kollegen von der Universität Kiel veränderten die Zusammensetzung des Gedächtnismetalls und erhielten eine Legierung mit sehr hoher Zyklenfestigkeit.

Zusätzlich zu Titan und Nickel verwendeten die Materialforscher Kupfer, um aus einer heißen Gasphase hauchdünne Metallfilme zu fertigen. Diese Legierung – Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂ – ließ sich bei 70 Grad Celsius über zehn Millionen Mal verformen. Über die Streuung von Röntgenstrahlen und unter einem Transmissionselektronenmikroskop untersuchten die Wissenschaftler die Änderungen in der Kristallstruktur. Zusätzlich zum reversiblen Wechsel zwischen der Austenit- und der Martensitstruktur entdeckten sie eine spezielle Ti₂Cu-Phase, die sich in herkömmlichen Gedächtnismetallen nicht bilden konnte. Diese Phase wirkte offensichtlich stabilisierend und war dafür verantwortlich, dass während der Strukturwechsel keine Risse im Material auftraten.

Diese langlebige Legierung könnte nach Aussage von Chluba und Kollegen die Grundlage für stabilere Gedächtnismetalle legen. Dabei haben sie nicht nur Anwendungen in der Medizin im Blick. Denn Gedächtnismetalle können bei ihrer mechanischen Verformung der Umgebung auch Wärme zuführen oder entziehen. So schlugen Wissenschaftler erst vor wenigen Wochen vor, einen Kühlschrank auf der Basis des elastokalorischen Effekts – einer Temperaturänderung nach einer Verformung – zu entwickeln. Mit der nun gefundenen Legierung wäre auch die nötige Langlebigkeit für ein solches Gerät erreichbar.