Am Karlsruher Institut für Technologie haben Forschende ein Metamaterial mit ungewöhnlichen Dehnungseigenschaften entdeckt. Es könnte für bestimmte Anwendungsfälle nützlich sein.
Das neue Metamaterial unter dem Rasterelektronenmikroskop: Eine spezielle Struktur (rot) ermöglicht neue Dehnungseigenschaften.
Illustration: Jonathan Schneider, KIT
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein Metamaterial mit anderen Dehnungs- und Kompressionseigenschaften als konventionelle Materialien hergestellt. Damit überwand die Arbeitsgruppe um Prof. Martin Wegener am Institut für Angewandte Physik des KIT eine Einschränkung von Metamaterialien. Studienhauptautor Dr. Yi Chen vergleicht die Erkenntnis mit einem Effekt in der menschlichen Kommunikation: Wenn Menschen über eine Kette von Vermittlern kommunizieren, kann die Nachricht, die die letzte Person erhält, völlig anders sein, als wenn die erste und die letzte Person direkt miteinander gesprochen hätten.
Laut Chen gilt dieses Prinzip auch für Metamaterialien. Das entworfene Material habe spezielle Strukturen, mit denen einzelne Komponenten nicht mehr nur über ihre Nachbarn kommunizierten, sondern auch direkt mit allen anderen Komponenten im Material. Studienmitautor Ke Wang fügt hinzu: "Diese Strukturen verleihen dem Material faszinierende Eigenschaften, etwa ungewöhnliche Dehnungseigenschaften."
Mit 3-D-Laserdruck hergestellt
Das Team konnte dies mit mikrometergroßen Proben des Materials demonstrieren, die es mithilfe der 3-D-Laserdrucktechnik herstellte und mit einem mit einer Kamera ausgestatteten Mikroskop untersuchte. Die Analyse zeigte, dass sich ein eindimensionaler Balken auf unregelmäßige Weise dehnte, wenn er an einem Ende gezogen wurde.
Im Gegensatz zu etwa einem Gummiband, das sich beim Ziehen gleichmäßig dehnt, habe das Metamaterial an einigen Stellen eine Kompression gezeigt, während sich einige kurze Abschnitte stärker gedehnt hätten als längere Abschnitte, obwohl überall die gleiche Kraft ausgeübt worden sei. Dieses ungewöhnliche Verhalten mit lokal auftretender Dehnung und Kompression sei bei herkömmlichen Materialien nicht möglich, so Studienmitautor Jonathan Schneider. Nun wolle man dies in zweidimensionalen (planaren) und dreidimensionalen Materialien untersuchen.
"Extrem empfindlich"
Das Metamaterial reagiert laut den Forschenden "extrem empfindlich" auf Belastungen, was eine potenziell nützliche Eigenschaft sein könnte. Je nachdem, an welcher Stelle im Material eine Kraft einwirke, könnten selbst an relativ weit entfernten Stellen völlig unterschiedliche Dehnungsreaktionen auftreten. Ein Material mit dieser Empfindlichkeit könnte für technische Anwendungen wertvoll sein, bei denen große Kräfte gemessen werden müssen, wie bei der Überwachung von Gebäudeverformungen, oder in der biologischen Forschung zur Charakterisierung von Kräften in Zellen.
