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Neues Formgedächtnis-Material

Kein Zaubertrick: Formwandler mit Magnet-Schalter

| Autor/ Redakteur: Sebastian Jutzi* / Christian Lüttmann

Erst gefaltet, dann gestreckt – ein neuartiges Polymer lässt sich im Magnetfeld in eine gewünschte Form bringen und kehrt bei Wegfallen des Magnetischen Feldes in seine Ursprungsform zurück. Wie Forscher des Paul Scherrer Instituts und der ETH Zürich diese Magnetschaltung des Formgedächtnisses realisiert haben, erfahren Sie in diesem Beitrag.

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Paolo Testa, Erstautor der Studie, mit einem Modell der prinzipiellen Struktur des formerinnernden Materials
Paolo Testa, Erstautor der Studie, mit einem Modell der prinzipiellen Struktur des formerinnernden Materials
(Bild: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Villigen/Schweiz – Es sieht aus wie ein Zaubertrick: Ein Magnet entfernt sich von einem schwarzen, verwundenen Band und dieses entspannt sich – ohne weitere Einwirkung (siehe Video unten). Was wie Magie aussieht, lässt sich mit Magnetismus erklären. Das schwarze Band besteht nämlich aus einem Verbundstoff aus zwei Komponenten: einem Polymer auf Silikonbasis und kleinen Tröpfchen aus Wasser und Glyzerin, in denen winzige Partikel aus Carbonyleisen schweben. Diese Partikel sorgen für die magnetischen Eigenschaften des Materials und sein Formgedächtnis.

Zwingt man den Verbundstoff mittels einer Pinzette in eine bestimmte Form und setzt ihn dann einem Magnetfeld aus, so behält er diese Form bei, selbst wenn man die Pinzette entfernt. Erst wenn man das Magnetfeld ebenfalls entfernt, nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form an.

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Magnetische Dispersion steuert Formbarkeit

Bislang bestehen vergleichbare formerinnernde Materialien aus einem Polymer und eingelagerten Metallpartikeln. Die Forscher des PSI und der ETH Zürich fügten stattdessen die magnetischen Partikel mithilfe von Tröpfchen aus Wasser und Glyzerin in das Polymer und erzeugten so eine Dispersion.

In dem neuen Material verteilen sich die Tröpfchen der Flüssigkeit mit den magnetischen Partikeln fein im Polymer. „Da es sich bei der im Polymer dispergierten magnetisch empfindlichen Phase um eine Flüssigkeit handelt, sind die Kräfte, die beim Anlegen eines Magnetfeldes erzeugt werden, wesentlich grösser als bisher bekannt“, sagt Laura Heyderman, Leiterin der Gruppe Mesoskopische Systeme am PSI und Professorin an der ETH Zürich. Wirkt ein Magnetfeld auf den Verbundstoff, versteift dieser.

Material versteift im Magnetfeld

Die Forscher untersuchten das neue Material unter anderem mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Mit den damit angefertigten röntgentomographischen Aufnahmen stellten sie fest, dass sich unter Einwirkung eines Magnetfeldes die Länge der Tröpfchen in dem Polymer vergrößert und sich die Carbonyleisen-Partikel in der Flüssigkeit zumindest teilweise entlang der magnetischen Feldlinien ausrichten. Beides führt dazu, dass sich die Steifigkeit des getesteten Materials bis auf das 30-fache erhöht.

Dass das Formgedächtnis des neuen Materials durch Magnetfelder aktiviert wird, bietet neben der größeren Kraftentfaltung einen weiteren Vorteil. Die meisten formerinnernden Stoffe reagieren auf Temperaturschwankungen. Bei Anwendungen in der Medizin ergeben sich dadurch aber zwei Probleme: Erstens schadet zu große Hitze den körpereigenen Zellen. Zweitens lässt sich eine gleichmäßige Erwärmung eines formerinnernden Gegenstands nicht immer gewährleisten. Beide Nachteile umgeht das Anschalten des Formgedächtnisses per Magnetfeld.

Das Video zeigt, wie das neue Material mittels Pinzette in eine Schleifenform gezwungen wird. Dann wird ein ringförmiger Magnet angehoben. Selbst wenn man die Pinzette entfernt, behält das Material in dem Magnetfeld seine Form bei. Erst wenn der Magnet wieder abgesenkt und damit das Magnetfeld entfernt wird, kehrt das Material in seine Ausgangsform zurück. (Quelle: Paul Scherrer Institut - ETH Zürich/Paolo Testa)

Andwendungsgebiete in Medizin und Robotik

„Mit unserem neuen Verbundstoff haben wir einen weiteren wichtigen Schritt hin zur Vereinfachung von Bauteilen in ganz verschiedenen Anwendungsgebieten wie der Medizin oder der Robotik gemacht“, sagt Paolo Testa, Materialwissenschaftler an der ETH Zürich und am PSI sowie Erstautor der Studie. „Unsere Arbeit dient daher als Ausgangspunkt für eine neue Klasse von mechanisch aktiven Materialien.“

Für formerinnernde Stoffe sind zahlreiche Anwendungen in Medizin, Raumfahrt, Elektronik oder Robotik denkbar. So könnten Katheder, die bei minimalinvasiven Operationen durch Blutgefäße zum Operationsort im Körper geschoben werden, ihre Steifigkeit verändern. Das bietet den Vorteil, dass sie nur dann fest werden müssen, wenn das benötigt wird. Beim Gleiten durch ein Blutgefäß würden sie deshalb weniger Nebenwirkungen wie Thrombosen erzeugen.

In der Raumfahrt sind formerinnernde Materialien als eine Art Reifen für Erkundungsfahrzeuge gefragt, die sich eigenständig aufblähen oder wieder zusammenfalten. In der Elektronik dienen weiche Funktionsmaterialien als flexible Strom- oder Datenleitungen, beispielsweise in Wearables, also Geräten, die man in der Kleidung oder direkt am Körper trägt. Formgedächtnis eröffnet auch neue Möglichkeiten, beispielsweise können formerinnernde Materialien in der Robotik mechanische Bewegungen ohne einen Motor ausführen. Es gibt also reichlich Potenzial für das neue Formgedächtnis-Material.

Originalpublikation: Paolo Testa, Robert W. Style, Jizhai Cui, Claire Donnelly, Elena V. Borisova, Peter M. Derlet, Eric R. Dufresne and Laura J. Heyderman: Magnetically Addressable Shape-memory and Stiffening in a Composite Elastomer, Advanced Materials, 4. Juni 2019; DOI: 10.1002/adma.201900561

* S. Jutzi, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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