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Keep on rolling Eine einzelne Faser als Motor und Energiespeicher?

| Autor/ Redakteur: Dr. Falko Ziebert* / Christian Lüttmann

Ein unscheinbarer Silikonring liegt auf einer Heizplatte. Erst bei genauem Hinsehen offenbart er sein Geheimnis: Er verformt sich kontinuierlich selbst und dreht sich, wie sich ein Gummiband beim Aufrollen auf eine Posterrolle dreht. Die an der Entwicklung dieses wärmebetriebenen Motors beteiligten Physiker erhoffen sich daraus neue Impulse für intelligente Werkstoffe.

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Die zum Ring gebogene Polymerfaser verformt und bewegt sich durch die Wärme der Heizplatte.
Die zum Ring gebogene Polymerfaser verformt und bewegt sich durch die Wärme der Heizplatte.
(Bild: Falko Ziebert)

Heidelberg, Strasbourg/Frankreich – Physiker erfinden das Rad neu, mithilfe einer Polymerfaser: Nur aus einer einzigen Komponente besteht der Motor und Energiespeicher, den Physiker und Materialwissenschaftler der Universitäten Heidelberg und Strasbourg in Frankreich entworfen haben. Sie nutzten dafür eine elastische Polymerfaser, die zu einem Ring geformt und mithilfe einer äußeren Energiezufuhr zum Rotieren gebracht wurde. Von diesem Mechanismus erhoffen sich die Wissenschaftler neue Impulse zur Entwicklung intelligenter Werkstoffe mit fest definierten Funktionen.

„Unser Ansatz ist minimalistisch. Wir setzen nicht auf komplexe High-Tech-Materialien, sondern fragen uns, auf welche Weise die Geometrie und Topologie eines Materialstücks eine intelligente Funktion, etwa eine Drehbewegung, verursachen kann. So ist unser ‘wheel within’ entstanden“, erklärt Dr. Falko Ziebert vom Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg. Gemeinsam mit Dr. Igor Kulić vom Institut Charles Sadron der Universität Strasbourg hat er die Forschungsarbeiten geleitet.

Wie der Ring sich dreht

Im Gegensatz zum klassischen starren Rad, das um eine feste Achse läuft, bildet sich bei diesem „eingebetteten Rad“ eine elastische Verformungswelle aus, die sich im Material bewegt. „Der Antrieb erfolgt durch einfaches Heizen, das eine thermische Ausdehnung des Materials bewirkt, ganz ähnlich wie bei der thermischen Konvektionsströmung in unserer Atmosphäre, die Wetter und Klima mitbestimmt. Das Drehmoment kommt dabei durch die Wechselwirkung dieser thermischen Deformation mit der vorgegebenen Deformation der Ringgeometrie zustande“, erläutert Dr. Ziebert.

Mit dem „wheel within“ haben die Wissenschaftler ein sehr einfaches Prinzip entdeckt, um polymere Materialien, wie etwa einen Nylonfaden oder ein Gummiband, spontan in Bewegung zu setzen. Es bildet die Grundlage für weiterführende Forschungen. „Derzeit spielen wir noch mit verschiedenen Geometrien, Materialien und anderen Formen des Energieflusses durch das System“, so Kulić. Eine Vision ist dabei die Entwicklung neuer technischer Geräte mit robusten, selbst-bewegten Elementen, beispielsweise in Form künstlicher Muskeln. An den Forschungsarbeiten waren auch Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich in der Schweiz beteiligt.

Originalpublikation: A. Baumann, A. Sánchez-Ferrer, L. Jacomine, P. Martinoty, V. Le Houerou, F. Ziebert, Igor M. Kulić: Motorizing fibres with geometric zero-energy modes.. Nature Materials (2018), DOI: 10.1038/s41563-018-0062-0

* Dr. F. Ziebert, Universität Heidelberg, 69120 Heidelberg

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