Zellulose-basierte Aktuatoren Programmierbare Faltkunst mit Zellulose-Folien

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Ein neues Zellulose-Polymermaterial faltet sich durch Feuchtigkeit selbstständig zusammen. Die speziellen Folien könnten als programmierbare Aktuatoren eingesetzt werden und zeichnen sich u. a. durch Dehnungsresistenz und ihre Fähigkeit zur Selbstreparatur aus.

In der Natur haben sich faszinierende Funktionen und Mechanismen über Jahrmillionen der Evolution durchgesetzt. In der Bionikforschung versuchen Wissenschaftler, der Natur diese effizienten Methoden abzugucken und nachzubauen. Beispielsweise in Sensoren oder bionischen Aktuatoren, aktiven Elementen, die – mit einem Signal angesteuert – etwas schalten oder bewegen können. Moderne Aktuatoren sollten dabei programmierbar stimulierbar und sehr robust sein und mit einer Vielzahl von Arbeitsbedingungen zurechtkommen.

Das Forschungsteam mit Mitgliedern der Königlich-Technischen Hochschule Stockholm (KTH), von DESY und dem Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung hat jetzt in Anlehnung an biologisches Gewebe einen dünnen Film aus Zellulose-Nanofasern mit zwei Arten von Polymeren hergestellt. Dafür mischten sie Polyvinylalkohol (PVA) und Polystyrolsulfonat (PSS) mit den Zellulose-Fibrillen und schütteten die Lösung auf eine Glasplatte. Beim Trocknen entstand ein kreisrunder Film, in dem sich ein enges Netzwerk aus chemischen und physikalischen Bindungen bildete. „Gerade das Polystyrolsulfonat sorgt dabei für eine extreme Dehnbarkeit und Zähigkeit des Films“, sagt DESY-Wissenschaftlerin Qing Chen, Erstautorin der Studie. „Dieser Bestandteil der Lösung kann durch die Beimischung von Lebensmittelfarben erweitert werden und den Film dadurch bunt und divers machen.“

Geeignet als Feuchtigkeitssensor oder -schalter

Aus diesem Film lassen sich Zentimeter große Stücke herausschneiden, die sich durch den Einfluss von Feuchtigkeit verbiegen. „Im Prinzip können wir daraus ein aktives Geschenkpapier machen“, sagt Stephan Roth (DESY und KTH), Leiter der PETRA-III-Strahlführung P03 und Co-Autor der Studie, „wenn man etwas Feuchtigkeit draufsprüht, packt es sich selbst aus.“

Multistabile Struktur entwickelt

Einfach stabil in allen Lebenslagen

Doch Geschenkpapier oder sich bei Regen aufrollende Sonnenmarkisen sind das eine; der neuartige Cellulose-Polymer-Film hat deutlich größeres Potenzial, beispielsweise als Feuchtigkeitssensor oder -schalter. In gewisser Weise sind die Filme programmierbar: Biegerichtung, Biegegeschwindigkeit und Krümmung der Folien können durch Beeinflussung der Geometrie der Proben vor dem Schneiden angepasst werden. Wie das programmierbare Material in Aktion aussieht, zeigt ein Video der DESY-Forscher.

Dehnbarkeit und Selbstreparatur untersucht

An der Nanofokus-Messstation an der PETRA-Strahlführung P03 erlangten die Forscher insbesondere Erkenntnisse über die Reißfestigkeit und die Selbstreparatur des Materials. Die Zugdehnungsexperimente selbst wurden an der KTH in Schweden durchgeführt. Wenn die Filme über eine Streckgrenze hinaus gedehnt wurden, blieb die Verformung in den Proben erhalten und wurde mit Ultrakleinwinkel-Streuungsexperimenten mit Röntgenlicht an P03 untersucht.

Die Experimente zur Selbstreparatur des Materials wurden an derselben Messstation mithilfe einer Probenkammer durchgeführt, in der man die Luftfeuchtigkeit einstellen kann. Wurde die Umgebung der beschädigten Proben gesättigt, konnten die Forscher beobachten, wie sich im Material wieder chemische Bindungen ausbildeten und so die beschädigte Fläche der Proben verringerten. „Die Mechanismen der Selbstreparatur machen dieses Material wirklich einzigartig“, betont Erstautorin Chen.

Originalpublikation: Qing Chen, Benedikt Sochor, Andrei Chumakov, Marie Betker, Nils M. Ulrich, Maria E. Toimil-Molares, Korneliya Gordeyeva, L. Daniel Söderberg, Stephan V. Roth: Cellulose-Reinforced Programmable and Stretch-Healable Actuators for Smart Packaging, „Advanced Functional Materials“, 2022; DOI: 10.1002/adfm.202208074

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