MIT macht Keramik und Glas jetzt dehnbar
Wissenschaftler wollen damit eines Tages reißfeste Kleidung und flexible Halbleiter ermöglichen
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Mikroskopisches Gitternetz: fest und dehnbar dank ungewöhnlicher Struktur (Foto: mit.edu) |
Cambridge (pte026/28.04.2025/12:30)
US-Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben erstmals dehnbares beziehungsweise biegsames Glas und Keramik entwickelt. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Metamaterial, das in dieser Form auf natürlichem Weg nicht entstehen kann. Diese Werkstoffe haben mikroskopisch kleine Strukturen, die ihnen außergewöhnliche Eigenschaften verleihen. Der Schwerpunkt bei der Entwicklung lag bisher darauf, dem Basiswerkstoff eine höhere Festigkeit und Steifigkeit zu verleihen. Damit einher ging allerdings ein Nachteil: Die Flexibilität wurde immer geringer.
Kombi aus Streben und Gewebe
Carlos Portela und sein Team haben in einem neuen Metamaterial nun beide Eigenschaften vereint. Der Schlüssel liegt in einer Kombination aus steifen, mikroskopisch kleinen Streben und einer weicheren gewebten Architektur. Dieses von einem 3D-Drucker hergestellte mikroskopische "Doppelnetzwerk" aus einem plexiglasähnlichen spröden Polymer hat ein Material ergeben, das sich auf das Vierfache seiner Größe dehnen lässt, ohne vollständig zu reißen. Im Vergleich dazu ist das Polymer in anderen Formen kaum oder gar nicht dehnbar und zerbricht leicht, sobald es Risse bekommt.
Das Design-Prinzip lässt sich laut den Wissenschaftlern auch auf andere Materialien anwenden, beispielsweise zur Herstellung von dehnbarer Keramik, Glas und Metallen. Aus solchen robusten und dennoch biegsamen Materialien könnten reißfeste Textilien, flexible Halbleiter, Verpackungen für elektronische Chips und haltbare, aber nachgiebige Gerüste hergestellt werden, auf denen Zellen für die Gewebereparatur gezüchtet werden, heißt es.
Spaghettihaufen hält zusammen
"Bislang haben wir alle nach möglichst steifen und festen Materialien gesucht", so Portela. Stattdessen suchte er jetzt nach einer Möglichkeit, weichere, dehnbarere Metamaterialien zu synthetisieren. Anstatt mikroskopisch kleine Streben und Fachwerke zu drucken, wie sie bei herkömmlichen gitterbasierten Metamaterialien zu finden sind, entwickelten er und sein Team eine Architektur aus einem starren, gitterartigen Gerüst aus Streben und Fachwerken und miteinander verwobenen Federn oder Spiralen.
"Stellen Sie sich dieses gewebte Netzwerk wie einen Haufen Spaghetti vor, die sich um ein Gitter gewickelt haben. Wenn wir das monolithische Gitterwerk zerbrechen, verheddern sich all diese Spaghetti mit den Gitterstücken. Das fördert die Verflechtung zwischen den gewebten Fasern, was zu mehr Reibung und Energieverlust führt", unterstreicht Portela. Mit anderen Worten: Trotz der Brüche hält das Material standhaft zusammen.
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