Forschern ist es erstmals gelungen, Silizium mit der Eigenschaft auszustatten, elektrische Signale in mechanische Bewegungen umzuwandeln. Das Hybridmaterial eröffnet neue Perspektiven für die chipbasierte Technik von morgen.
Siliziumscheibe mit eingraviertem Hauptgebäude der TU Hamburg: Forschern des dort von der DFG geförderten Sonderforschungsbereichs SFB 986 gelang es jetzt, ein Aktuatorpolymer mit der dreidimensionalen Gerüststruktur von nanoporösem Silizium zu einem Hybridmaterial zu kombinieren.
TU Hamburg/Trede
Damit beispielsweise der Lautsprecher in einem Smartphone funktioniert, führen aktorische Materialien kleine Bewegungen im Mikrometer- und Nanometerbereich elektrisch und sehr präzise aus und bringen so Luft zum Schwingen. Silizium zählt nicht zu dieser Materialkategorie. Das Fehlen von Piezoelektrizität in Silizium macht direkte elektromechanische Anwendungen dieses Mainstream-Halbleiters unmöglich. "Um das zu ändern, ahmten wir auf künstliche Art und Weise das nach, was die Natur bereits in Biomaterialien wie Knochen oder Zähnen durch eine geschickte Kombination von weicher und harter Materie umsetzt", sagt Patrick Huber von der TU Hamburg. Denn eine integrierte elektrische Steuerung der Siliziummechanik würde neue Perspektiven für die On-Chip-Systeme eröffnen.
Um diesem Ziel näher zu kommen, stattete sein Team kleinste Nanokanäle in hartem Silizium mit dem künstlichen, umweltfreundlichen und weichen Polymer Polypyrrol aus. "Uns ist es gelungen, dass sich diese Muskelmoleküle und damit das komplette Siliziumgerüst des Hybridmaterials unter elektrischer Spannung ausdehnt und anschließend wieder zusammenzieht", so Huber. Die Wissenschaftler berichten über ihren Erfolg aktuell in der Zeitschrift "Science Advances".
Polypyrrol zählt zu den elektroaktiven Polymeren, die eine große Klasse aktiver Funktionswerkstoffe bilden. "Bei elektroaktiven Polymeren handelt es sich um elektromechanische oder elektro-chemomechanische Wandler", erklären Johannes Michael Sinapius und Sebastian Geier in "Adaptronik" (Seite 69). Elektroaktive Polymere (EAP) sind Polymere, die durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern, so die Springer-Autoren. Seit Anfang 1990 seien sehr viele unterschiedliche EAPs entwickelt worden. Nach wie vor befinden sich die Arbeiten in der Forschung. Der grundlegende Effekt wurde übrigens schon 1880 von Wilhelm Conrad Röntgen nachgewiesen. "Er führte ein Experiment mit einem Kautschukband durch, das er mit Gewichten dehnte. Nach einer elektrischen Aufladung beobachtete er eine Längenzunahme von mehreren Prozent, die durch Entladen des Kautschuks rückgängig gemacht werden konnte."
Basismaterial für Bioaktuator-Anwendungen
In ihrer Studie haben die Hamburger Forscher Nanoporosität im Wafermaßstab in einkristallinem Silizium mit der Polymerisation eines künstlichen Muskelmaterials im Porenraum kombiniert und auf diese Weise ein Komposit synthetisiert, das eine makroskopische Elektrodehnung in einem wässrigen Elektrolyten zeigt. Die Spannungs-Dehnungs-Kopplung ist in Bezug auf die piezoelektrische Betätigung drei Größenordnungen größer als bei den leistungsfähigsten Keramiken, führen sie in ihrem Science-Beitrag aus. "Wir führen diese enorme Elektrobetätigung auf die konzertierte Wirkung von 100 Milliarden Nanoporen pro Quadratzentimeter Querschnitt und auf potenzialabhängige Drücke von bis zu 150 Atmosphären auf der Einzelporenskala zurück", heißt es dort. Die außergewöhnlich kleinen Betriebsspannungen (0,4 bis 0,9 Volt) zusammen mit den nachhaltigen und biokompatiblen Basismaterialien mache diesen Hybrid zu einem vielversprechenden Material für Anwendungen in biologischen oder bio-medizinischen Systemen, sagt Manuel Brinker, Erstautor der Studie, der wie Koautor Guido Dittrich Doktorand an der TU Hamburg ist.