Türme aus bis zu 500 chiralen Würfelstrukturen rotierten bei Belastung um die eigene Achse. Achirale Strukturen zeigen diese Eigenschaft nicht.
T. Frenzel | KIT
"Übt man Kraft von oben auf einen Materialblock aus, dann deformiert sich dieser in unterschiedlicher Weise. Er kann sich ausbuchten, zusammenstauchen oder knicken", sagt Martin Wegener, Professor am Institut für Angewandte Physik und Direktor am Institut für Nanotechnologie am Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). "Drehen wird er sich nach den geltenden Regeln der Mechanik aber nicht", betont er. Seinem Mitarbeiter Tobias Frenzel und Kollegen ist es nun jedoch gelungen, eine filigrane Würfelstruktur zu entwerfen, die auf Belastung mit einer Rotation um die eigene Achse reagiert.
"Zunächst haben wir per Computersimulation ein Design erarbeitet, das eine solche, bisher nicht beschriebene mechanische Eigenschaft aufweist", erklärt Frenzel das Vorgehen. "Unsere Berechnungen zeigten, dass wir mit einer durchdachten chiralen Struktur das gewünschte Ergebnis erzielen – also einem Körper, dessen Bild und Spiegelbild nicht deckungsgleich sind – in etwa wie bei der linken und rechten Hand." Die von Frenzel und seinem Team errechneten filigranen Würfel bestehen aus Streben und Ringen die nach einem ganz bestimmten Muster miteinander verbunden sind. Die Arme, welche die Ringstrukturen mit den Ecken des Würfels verbinden, bewegen sich bei Belastung in der Senkrechten nach unten. Diese Bewegung führt zu einer Rotation der Ringe. Die rotierenden Bewegungen übertragen wiederum Kräfte auf die Ecken der waagerechten Flächen des Würfels, so dass sich der gesamte Körper um die eigene Achse zu drehen beginnt.
Das Forscherteam stellte mit einer am KIT etablierten 3D-Mikro-Druckmethode Türme aus ebendiesen Würfelstrukturen in unterschiedlichen Größen, Stärken und Stückzahlen her. Die Kantenlänge der Würfel maß zwischen 100 und 500 Mikrometer. Die Türme wurden aus 4 bis 500 Würfeln zusammengesetzt und wiesen eine Höhe von zwei Millimetern auf. Um ihre Theorie zu überprüfen, produzierten sie die gleichen Türme aus achiralen Würfeln, solchen also, deren Bild und Spiegelbild übereinstimmen. Die aus chiralen Bausteinen zusammengesetzten Türme drehten sich unter Krafteinwirkung deutlich messbar um ihre eigene Achse. „Je einem Prozent Deformation konnten wir eine Drehung um bis zu zwei Grad messen“, bestätigt Frenzel die Ergebnisse. Die Türme aus achiralen Würfelstrukturen zeigten diese Rotation hingegen nicht. Gleichzeitig stellten die Forscher fest, dass die Steifigkeit der Türme mit der Zahl der Würfel zunahm, obwohl die Einzelbauteile proportional immer filigranere Dimensionen einnahmen.