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Biomimetik: Adaptives Material ändert sich von steif zu weich und zurück

Ein Forschungsteam hat ein Material entwickelt, das seinen Zustand durch Strom ändern kann.

Artikel veröffentlicht am ,
Zusammenhang zwischen Steifheit und Temperatur
Zusammenhang zwischen Steifheit und Temperatur (Bild: Andreas Walther/Uni Mainz)

Hauchdünn, mal fest, mal weich: Ein Team der Universität in Mainz hat ein Nano-Papier entwickelt, das seine Festigkeit verändert, wenn elektrischer Strom angelegt wird. Vorbild ist ein Meeresbewohner.

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"Wir haben das Material mit einem Mechanismus versehen, so dass die Festigkeit und Steifheit über einen elektrischen Schalter moduliert werden kann", sagte Projektleiter Andreas Walther. An sich ist das Nano-Papier fest. Wird eine elektrische Spannung angelegt, wird es weich. Stoppt der Stromfluss, nimmt es wieder seine übliche Festigkeit an.

Das Material wird aus Holz gewonnen

Das durchsichtige Material besteht aus Zellulose-Nanofibrillen, die noch feiner sind als die Mikrofasern in Papier. Gewonnen werden sie aus der Zellwand von Bäumen. Das Material, das beispielsweise im Leichtbau verwendet wird, ist steif und zugfest.

Die Veränderungen finden auf molekularer Ebene statt: Durch Stromzufuhr wird es erwärmt und die Vernetzungspunkte gebrochen. Je höher dabei die die Spannung ist, desto mehr Vernetzungspunkte brechen und desto weicher wird das Material. Der Vorgang ist reversibel. Das heißt, das Material wird wieder steif, wenn der Strom abgeschaltet wird.

Die meisten Materialien verändern sich nicht

"Das ist außergewöhnlich. Alle Materialien um uns herum sind wenig veränderlich, sie wechseln nicht ohne Weiteres von steif auf elastisch und umgekehrt", sagte Walther. "Hier können wir das mithilfe von Strom auf leichte und elegante Weise bewerkstelligen."

Vorbild für den Mechanismus ist die Seegurke. Wenn diese Meeresbodenbewohner angegriffen werden, können sie ihr Gewebe anpassen und verstärken. Ihr sonst weiches Äußeres versteift sich.

Adaptives mechanisches Verhalten ist schwierig nachzubilden

"Das ist ein adaptives mechanisches Verhalten, das fundamental gesehen schwierig nachzubilden ist", sagte Walther. Seinem Team sei es gelungen, dieses Grundprinzip nachzuahmen. Beschrieben haben sie es in der Fachzeitschrift Nature.

Derzeit bedarf es noch einer externen Stromquelle, um die Reaktion auszulösen. Ein nächster Schritt könnte sein, das Material mit einem Energiespeicher auszustatten. Dann könnte das Material von sich aus und ohne Eingriff von außen seinen Zustand verändern. "Jetzt müssen wir den Schalter noch selbst umlegen, aber unser Traum wäre es, dass das Materialsystem dies von sich aus bewerkstelligen kann", sagte Walther.

Eine mögliche Anwendung sieht das Team in adaptiven Dämpfungsmaterialien, die bei Überlastung nachgiebig werden, statt zu brechen.

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Eheran 19. Mär 2021 / Themenstart

Das eine ist Spannung anlegen. Super easy. Das andere ist die komplette Temperatur des...

Venterrazero 19. Mär 2021 / Themenstart

Ich dachte da auch dran. xD Erst recht, weil im ersten Bale - Batman - film Lucious Fox...

Trollversteher 19. Mär 2021 / Themenstart

Und bei denen kann man beliebig, ohne Verschleiß und quasi "im praktischen Einsatz...

SuperHorst 19. Mär 2021 / Themenstart

Vielleicht war in Wirklichkeit anstatt der Seegurke das Geschlechtsorgan männlicher...

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