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#Neues aus der Industrie
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Intelligentes Material, das zwischen verschiedenen Festkörperzuständen hin und her wechseln kann
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Die Erforschung von Metamaterialien, den künstlichen Wesen, die über die der Natur unbekannten Eigenschaften verfügen, steht an vorderster Front der technischen Innovation
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Laut einer kürzlich veröffentlichten Veröffentlichung hat ein Team von Chemieingenieuren an der University of Waterloo ein neues Material entwickelt, das zwischen zwei festen Zuständen hin und her wechseln kann: einem opaken, harten und einem weichen Gel. Dieser Durchbruch könnte revolutionäre Veränderungen in der Soft-Robotik und bei Klebeanwendungen mit sich bringen.
Seit Jahrzehnten beschäftigen sich Wissenschaftler mit Materialien mit neuartigen Eigenschaften. Einige der fortschrittlichen Materialien bestehen aus mehreren Verbundelementen (wie Keramik, Metallmatrix oder Polymere), die in sich wiederholenden Mustern angeordnet sind. Diese einzigartige interne Architektur ermöglicht es ihnen, sich wie nichts anderes zu verhalten, was die Welt je gesehen hat. So sind beispielsweise die Negativindex-Metamaterialien in der Lage, Licht aufgrund ihres negativen Brechungsindexes ganz anders zu biegen als herkömmliche Materialien. In einem Kooperationsprojekt zwischen dem MIT und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) entstand ein supersteifes, ultraleichtes Aerogel, das eine Last 160.000 mal seines Eigengewichts aufnehmen kann.
Das Team kanadischer Forscher unter der Leitung von Dr. Boxin Zhao, Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Waterloo, stellte ihr zustandsveränderndes Material her, indem es unterkühltes Flüssigsalz in ein Polymer einarbeitete, das sie aufgrund seiner hybriden Natur sal-gel nennen.
LabRoots wandte sich per E-Mail an Kuo Yang, einen Doktoranden und Erstautor der Publikation. Er erklärte, was ihn zur Erfindung des Hybridmaterials inspirierte.
"Die meisten Forschungen zu Gelen haben sich darauf konzentriert, das Polymernetzwerk des Gels funktioneller (d.h. "intelligenter") zu machen. Im Gegensatz dazu habe ich mich immer gefragt: Warum nicht die Flüssigkeit in Gelen "intelligenter" machen? Vor diesem Hintergrund wurde das Projekt eines Tages gestartet, als ich dachte, es könnte interessant sein, das Natriumacetat (das ich von Heizkissen sah) in ein Gel zu verwandeln", kommentierte er
Die weiche zu harte Verschiebung des Materials erfordert einen kurzen Stoß auf das Gel, eine Stimulation, die als Keimbildung bekannt ist. Die Nukleierung ist der erste Schritt für die selbstorganisierenden Kristalle, um ihren Phasenübergang zu beginnen. Wenn beispielsweise Zuckermoleküle in Wasser übersättigt werden, ermöglicht die Keimbildung die Bildung großer Kristalle durch Bindung aneinander. Im harten Zustand wird das Material 104 mal steifer als im weichen Zustand. Dieser schwer zu weiche Übergang kann durch kurzes und schonendes Erwärmen realisiert werden.
Kuo bestätigte, dass es andere funktionelle Materialien gibt, die in der Lage sind, ihre Steifigkeit um Größenordnungen zu regulieren: "Die Einsatzmöglichkeiten unseres Hybridmaterials überschneiden sich im Allgemeinen mit dem bestehenden Formgedächtnis oder steifigkeitsverändernden Materialien."
"Was unsere Materialien jedoch besser macht als die bestehenden, ist, dass unsere Materialien keine zusätzliche Energie benötigen, um den Steifigkeitszustand aufrechtzuerhalten und somit energieeffizienter sind", fügte er hinzu.
Für den nächsten Schritt hofft das Team der Materialingenieure, einen der Mängel dieser Arbeit zu beheben - die unterkühlte Flüssigkeit im Gel ist nicht so stabil, wie sie es sich wünschen. "ohne die Oberfläche des Gels zu schmieren, kann ein direkter Kontakt des Gels im weichen Zustand zu unbeabsichtigten Kristallisationen führen. Daher ist einer der nächsten Schritte, bessere Wege zur Stabilisierung der Flüssigkeit zu finden", sagt Kuo.
Diese neueste Forschung wird in der Zeitschrift Nature Materials berichtet.
Möchten Sie mehr über Metamaterialien erfahren? Schau dir dieses Video von Seeker an.