Lärmschlucker aus dem Drucker 

Schwingungen tilgen mit Hilfe von Kristallstrukturen? Das klingt wie Esoterik – ist es aber nicht. Zwei Empa-Forscher beweisen, dass es geht. Beim Bau der Testmodelle hilft der 3-D-Drucker.
Text: Rainer Klose / Bilder: Empa
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as sehen Sie da?» fragt Andrea Bergamini und lächelt. In den Händen hält er eine Sandwichkonstruktion aus zwei dünnen Aluminiumblechen, dazwischen steckt eine Gitterstruktur aus orange Röhrchen und weissen Verbindungsstücken. Es sieht aus wie eine sorgfältige, sehr ordentliche Bastelarbeit ohne tieferen Sinn. «Zwischen diesen Blechen steckt eine Diamantstruktur», sagt Bergamini – nun schaut man genauer hin. Tatsächlich: Wer im Chemieunterricht schon mal etwas vom Diamant gehört und ein Kristallmodell des Diamanten betrachtet hat, erkennt die Struktur wieder: Die weissen Verbindungsstücke im Modell sind Tetraeder – genau wie die Kohlenstoffatome im Diamanten. Nur: was soll das? Was soll ein Diamantenmodell im Sandwich von Alu-Blechen? 

Auf den Spuren von Paul Scherrer
Hinter der sorgfältigen Bastelarbeit steckt eine gewagte Idee: Lassen sich die Eigenschaften eines Kristalls um mehrere Grössenordnungen hochskalieren und nutzbar machen? Vor genau 100 Jahren entwickelte der Schweizer Physiker Paul Scherrer zusammen mit seinem niederländischen Kollegen Peter Debye das noch heute gebräuchliche Debye-Scherrer-Verfahren: Mit Hilfe der Beugung von Röntgenstrahlen lässt sich so die Struktur von Kristallen bestimmen. Nun sind ja Röntgenstrahlen nichts anderes als elektromagnetische Wellen, die von den Kristallstrukturen abgelenkt werden. Manche der Wellen löschen sich gegenseitig aus, andere verstärken sich – es entsteht ein charakteristisches Fleckenmuster rund um den Kristall. Die einfallenden Röntgenwellen werden in kleine Wellenbündel zerteilt und in verschiedene Richtungen zurückgeworfen.
Das Eigenleben des Makro-Kristalls
Wenn man nun die Kristallstruktur milliardenenfach vergrössert, könnte diese Struktur dann auch grössere Wellen zerteilen und ablenken? Etwa Schallwellen oder Vibrationen? Andrea Bergamini und sein Kollege Tommaso Delpero gingen dieser Frage nach. Sie bauten das Sandwich-Modell aus Alu-blechen und Teilen eines Molekülbaukastens und zum Vergleich ein zweites Modell, in dem zwischen den Alublechen nur harter Schaum steckte. Dann spannten sie mit Ihren Kollegen der Abteilung Akustik, Armin Zemp und Stephan Schönwald, die beiden Konstruktionen in ein Rüttelgerät und untersuchten, was herauskam. Tatsächlich: Wie erwartet, schluckte der Schaum die Vibrationen gleichmässig, die Kristallstruktur entwickelte dagegen ein richtiges Eigenleben: 
Manche Vibrationen wurden quasi zurückgespiegelt: Die Alu-Platte, an der gerüttelt wurde, bewegte sich stärker, doch auf der Unterseite der Sandwich-Struktur kam keine Schwingung an. Die Forscher hatten in ihrem Makro-Kristall damit eine sogenannte Bandlücke entdeckt – eine Eigenschaft, die auch in der Halbleitertechnik eine zentrale Rolle spielt. Innerhalb dieser Bandlücke gibt der Makro-Kristall keine Schwingung weiter.

Präzise Modelle aus dem 3-D-Drucker
Mit dieser Erkenntnis lassen sich möglicherweise schwingungsdämmende Zwischendecken konstruieren, auf die vibrierende Maschinen montiert werden können. Auch andere Anwendungen im Maschinenbau sind denkbar. Nun müssen die Forscher jedoch weg vom selbst gebastelten Modell mit all seinen typischen Fehlern. Hier hilft der nun an der Empa verfügbare Metall-3-D-Drucker. Das Gerät kann Geometriedaten aus theoretischen Berechnungen direkt in eine Kristallstruktur verwandeln. Die makrokristalline Zwischenschicht wird dann fest und gleichmässig aus Metall gedruckt – die Ungenauigkeiten der Bastelarbeit sind ausgeräumt. Durch die gesteigerte Präzision sind auch verschiedene Strukturvarianten gut vergleichbar. Die Forschung am Schallschluck-Kristall nimmt damit Fahrt auf. //

Andrea Bergamini und 
Tommaso Delpero zeigen 
Modelle ihres dreidimensionalen, 
fononischen Kristalls.
Literatur: Delpero T., Schoenwald S., Zemp A. and Bergamini A. (2015). Structural engineering of three-dimensional phononic crystals. Journal of Sound and Vibration, 1–10. doi: 10.1016/j.jsv.2015.10.033