Materialforschung 12.07.2013, 10:11 Uhr

Kunststoffe verändern je nach Temperatur ihre Form

Ein neu entwickelter Kunststoff kann abhängig von der Umgebungstemperatur seine Form verändern. Anders als bei ähnlichen Materialien bleibt der Kunststoff auch nach vielen Formwechseln beweglich.

Die Schöpfer der „Polymer-Aktuatoren“: Prof. Dr. Andrea Lendlein, Dr. Karl Kratz (hinten) und Dr. Ulrich Nöchel, Dr. Marc Behl, Tilman Sauter (Institut für Biomaterialforschung, Teltow, Helmholtz-Zentrum) 

Die Schöpfer der „Polymer-Aktuatoren“: Prof. Dr. Andrea Lendlein, Dr. Karl Kratz (hinten) und Dr. Ulrich Nöchel, Dr. Marc Behl, Tilman Sauter (Institut für Biomaterialforschung, Teltow, Helmholtz-Zentrum) 

Foto: Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Dass Polymere ihre Form je nach Temperatur verändern können, ist in der Materialforschung nichts Neues. Allerdings funktionierte dieses sogenannte „temperaturgesteuerte Formgedächtnis“ bisher nur in eine Richtung. Die Polymere konnten nur ein einziges Mal von der einen in die andere Form wechseln.

Ein inneres bewegliches Gerüst verändert sich je nach Temperatur

Jetzt haben Wissenschaftler am Zentrum für Biomaterialforschung in Teltow bei Berlin einen Kunststoff entwickelt, der bei Veränderung der Umgebungstemperatur immer wieder zwischen verschiedenen Formen hin- und herwechseln kann. Dabei ist sowohl die Temperatur als auch die Richtung, in der sich das Material ausdehnt und zusammenzieht, programmierbar. Die Wissenschaftler unter Professor Andreas Lendlein, dem Leiter des Instituts für Biomaterialforschung, stellen ihre „Polymer-Aktuatoren“ in der Online-Ausgabe der Zeitschrift PNAS Helmholtz-Zentrum Geesthacht vor.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
RHEINMETALL AG-Firmenlogo
Verstärkung für unsere technischen Projekte im Bereich Engineering und IT (m/w/d) RHEINMETALL AG
deutschlandweit Zum Job 
Stadtwerke München GmbH-Firmenlogo
Teamleitung Versorgungstechnik (m/w/d) Stadtwerke München GmbH
München Zum Job 
Stadtbetrieb Wetter (Ruhr)-Firmenlogo
Bauingenieur/in (m/w/d) als Fachbereichsleitung Tiefbau Stadtbetrieb Wetter (Ruhr)
Wetter (Ruhr) Zum Job 
Wolf GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur (m/w/d) für Heizsysteme Systemkomponenten Wolf GmbH
Mainburg Zum Job 
PNE AG-Firmenlogo
Projektmanager Power-to-X Projekte (m/w/d) PNE AG
Hamburg Zum Job 
GASCADE Gastransport GmbH-Firmenlogo
Pipelineingenieur (m/w/d) Schwerpunkt Inspektionen GASCADE Gastransport GmbH
XTENDED ENGINEERING GMBH-Firmenlogo
E/E System Integration Engineer (f/m/d) XTENDED ENGINEERING GMBH
München, Stuttgart, Nürnberg, Augsburg Zum Job 
GASCADE Gastransport GmbH-Firmenlogo
Schweißfachingenieur / Bauleiter (m/w/d) Schwerpunkt Offshore-Pipelinebau GASCADE Gastransport GmbH
landesweit Zum Job 
Säurefliesner-Vereinigung e.V.-Firmenlogo
Prüf-/Bauingenieur (m/w/d) mit baustoffkundlichem Interesse Säurefliesner-Vereinigung e.V.
Burgwedel Zum Job 
XTENDED ENGINEERING GMBH-Firmenlogo
Embedded Software/Systems Engineer (f/m/d) XTENDED ENGINEERING GMBH
München, Stuttgart, Nürnberg, Augsburg Zum Job 
XTENDED ENGINEERING GMBH-Firmenlogo
Teamleitung / Projektleitung / Modulleitung (w/m/d) XTENDED ENGINEERING GMBH
Nürnberg, Augsburg, Stuttgart, München Zum Job 
LVR-Klinikum Düsseldorf-Firmenlogo
Meisterin / Meister (m/w/d) Elektrotechnik LVR-Klinikum Düsseldorf
Düsseldorf Zum Job 
ONTRAS Gastransport GmbH-Firmenlogo
Fachverantwortlicher CO2 - Transport (m/w/d) ONTRAS Gastransport GmbH
Leipzig Zum Job 
Landesbaudirektion Bayern-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d), staatlich geprüfter Techniker (w/m/d) im Bereich Schießanlagen Landesbaudirektion Bayern
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.-Firmenlogo
Ingenieur/in Luft- und Raumfahrttechnik oder Naturwissenschaftler/in o. ä. (w/m/d) Konzept- und Technologieentwicklung für resiliente Weltraum-Systeme und Responsive Space Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
Faßberg Zum Job 
Eidgenössisches Institut für Geistiges Eigentum-Firmenlogo
Ingenieur oder Naturwissenschaftler als Patentexperte (w/m/d) Eidgenössisches Institut für Geistiges Eigentum
Bern (Schweiz) Zum Job 
Eidgenössisches Institut für Geistiges Eigentum-Firmenlogo
Patentexperte Fachrichtung Computerwissenschaften oder Nachrichtentechnik (w/m/d) Eidgenössisches Institut für Geistiges Eigentum
Bern (Schweiz) Zum Job 
Advanced Nuclear Fuels GmbH-Firmenlogo
Verfahrensingenieur (m/w/d) Komponentenfertigung Advanced Nuclear Fuels GmbH
Karlstein Zum Job 
Stadtwerke Aalen GmbH-Firmenlogo
Abschlussarbeit - Bachelor Stadtwerke Aalen GmbH
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)-Firmenlogo
Ingenieur*in (m⁠/⁠w⁠/⁠d) Verfahrenstechnik für innovative Wasserstofftechnologien Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP)
Rostock, Greifswald Zum Job 
In dem Modell einer Fensterjalousie werden die Polymer-Aktuatoren zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Lamellen genutzt.

In dem Modell einer Fensterjalousie werden die Polymer-Aktuatoren zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Lamellen genutzt.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Als Materialbasis wählten die Forscher Polyethylenvinylacetat, dessen Polymere auf molekularer Ebene aus Strukturelementen aufgebaut sind, die über einen breiten Temperaturbereich ihre Beweglichkeit ändern. Das geschieht zunächst im Nanobereich. Um daraus eine makroskopische Bewegung zu machen, ordneten die Forscher die einzelnen Strukturelemente einem inneren Gerüst zu. Ankerpunkte machen die Bewegung des Gerüsts in bestimmte Richtungen möglich. „Der Anteil zwischen Bewegungselementen und formgebenden Elementen kann dabei variiert werden, worüber wir die Bewegung steuern können“, erklärt Dr. Marc Behl, Abteilungsleiter am Teltower Institut.

Die innere Struktur sei vergleichbar mit der Form eines Ziegelsteinverbundes, erklären die Forscher. Bei Hitze oder Kälte vergrößern und verkleinern sich die Fugen des Verbundes und das Material zieht sich zusammen oder expandiert. Die Elastizität bleibt erhalten und das Material ist in der Lage, wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren. Bisher konnten die Wissenschaftler in mehr als 250 Temperaturzyklen nachweisen, dass das Material seine Form zuverlässig verändert und elastisch bleibt.

Denkbar ist eine Sonnen-Jalousie ohne externe Stromversorgung

Die Materialforscher sehen für ihren neu entwickelten Kunststoff vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. „Unsere Aktuatoren können viele hundert Mal die Form ändern, sobald die Umgebungstemperatur bestimmte Schwellenwerte über- und wieder unterschreitet“, sagt Andreas Lendlein. Sowohl die Schwellenwerte als auch die Art der Formänderung seien durch die Programmierung der Kunststoffe relativ frei wählbar.

Modell einer Wärmekraftmaschine: Ein Antriebselement (1) aus dem Temperatur-Gedächtnis-Polymer entfaltet sich beim Abkühlen und bewegt damit eine Zahnstange, die wiederum eine Drehscheibe vorantreibt. Beim Erwärmen zieht sich das Antriebselement wieder zusammen und bewegt dabei die Zahnstange zurück. Die Zahnstange wird mittels eines zweiten Elements (2) aus dem reversiblen Temperatur-Gedächtnis-Polymer in der Vorwärtsbewegung gegen das Zahnrad gedrückt, in der Rückwärtsbewegung findet eine Entlastung statt.

Modell einer Wärmekraftmaschine: Ein Antriebselement (1) aus dem Temperatur-Gedächtnis-Polymer entfaltet sich beim Abkühlen und bewegt damit eine Zahnstange, die wiederum eine Drehscheibe vorantreibt. Beim Erwärmen zieht sich das Antriebselement wieder zusammen und bewegt dabei die Zahnstange zurück. Die Zahnstange wird mittels eines zweiten Elements (2) aus dem reversiblen Temperatur-Gedächtnis-Polymer in der Vorwärtsbewegung gegen das Zahnrad gedrückt, in der Rückwärtsbewegung findet eine Entlastung statt.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Geesthacht

Denkbar seien Sonnen-Jalousien, die ohne externe Stromversorgung auskommen und die Verdunkelung eines Raumes nur über ihre Erwärmung steuern. Möglich sei auch eine Wärme-Kraft Maschine, in der die Aktuatoren die Basis für ein Antriebselement bilden. In einem Experiment demonstrieren die Teltower Wissenschaftler das Funktionsprinzip der Maschine, in der sich bei Erwärmung ein Kunststoff entfaltet und damit eine Antriebseinheit bewegt. Beim Abkühlen wird der Ursprungszustand wieder eingenommen. Über das Temperaturgedächtnis lässt sich die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebseinheit steuern.

 

Ein Beitrag von:

  • Gudrun von Schoenebeck

    Gudrun von Schoenebeck

    Gudrun von Schoenebeck ist seit 2001 journalistisch unterwegs in Print- und Online-Medien. Neben Architektur, Kunst und Design hat sie sich vor allem das spannende Gebiet der Raumfahrt erschlossen.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.