Forschende des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich haben ein neues Material entwickelt, dessen Formgedächtnis durch Magnetismus aktiviert wird. Anwendungsgebiete sind beispielsweise Medizin, Raumfahrt, Elektronik oder Robotik.
Paolo Testa, Erstautor der Studie, mit einem Modell der prinzipiellen Struktur des formerinnernden Materials.
Mahir Dzambegovic / Paul Scherrer Institut
Anders als bisherige formerinnernde Stoffe besteht ein neuer Verbundstoff aus einem Polymer auf Silikonbasis und darin eingelagerten Tröpfchen aus Wasser und Glyzerin, in denen winzige Partikel aus Carbonyleisen schweben. "Da es sich bei der im Polymer dispergierten magnetisch empfindlichen Phase um eine Flüssigkeit handelt, sind die Kräfte, die beim Anlegen eines Magnetfeldes erzeugt werden, wesentlich größer als bisher bekannt", erklärt Laura Heyderman, Leiterin der Gruppe Mesoskopische Systeme am Paul Scherrer Institut (PSI) und Professorin an der ETH Zürich. Zwingt man den Verbundstoff in eine bestimmte Form und setzt ihn dann einem Magnetfeld aus, behält er diese Form bei. Erst wenn man das Magnetfeld entfernt, nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form an.
Formgedächtnis durch Ausrichtung am Magnetfeld
Die Forschenden der ETH Zürich und des PSI untersuchten das neue Material unter anderem mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. Mit den damit angefertigten röntgentomografischen Aufnahmen stellten sie fest, dass sich unter Einwirkung eines Magnetfeldes die Länge der Tröpfchen in dem Polymer vergrößert und sich die magnetischen Carbonyleisen-Partikel in der Flüssigkeit zumindest teilweise entlang der magnetischen Feldlinien ausrichten. Beides führt dazu, dass sich die Steifigkeit des getesteten Materials bis auf das 30-Fache erhöht. Dass das Formgedächtnis des neuen Materials durch Magnetfelder aktiviert wird, biete neben der größeren Kraftentfaltung einen weiteren Vorteil. Die meisten formerinnernden Stoffe reagieren auf Temperaturschwankungen. Bei Anwendungen in der Medizin tauchen dadurch zwei Probleme auf. Erstens schadet zu große Hitze den körpereigenen Zellen. Zweitens lässt sich eine gleichmäßige Erwärmung eines formerinnernden Gegenstands nicht immer gewährleisten. Beide Nachteile umgehe das Anschalten des Formgedächtnisses per Magnetfeld.
"Mit unserem neuen Verbundstoff haben wir einen weiteren wichtigen Schritt hin zur Vereinfachung von Bauteilen in ganz verschiedenen Anwendungsgebieten wie der Medizin oder der Robotik gemacht", freut sich Paolo Testa, Materialwissenschaftler an der ETH Zürich und am PSI sowie Erstautor der Studie. "Unsere Arbeit dient daher als Ausgangspunkt für eine neue Klasse von mechanisch aktiven Materialien." Für formerinnernde Stoffe sind zahlreiche Anwendungen in Medizin, Raumfahrt, Elektronik oder Robotik denkbar. In der Raumfahrt sind formerinnernde Materialien beispielsweise als eine Art Reifen für Erkundungsfahrzeuge gefragt, die sich eigenständig aufblähen oder wieder zusammenfalten. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden im Fachmagazin Advanced Materials.