Ein Team der australischen RMIT University hat ein innovatives Material entwickelt, das die Bauindustrie verändern könnte. Die Struktur basiert auf dem Skelett des Tiefseeschwamms Venusblumenkörbchen, der für seine filigrane, aber dennoch widerstandsfähige Bauweise bekannt ist. Dank eines speziellen Doppelgitterdesigns könnte dieses Material nicht nur den Verbrauch von Stahl und Beton deutlich senken, sondern auch neue Anwendungen in anderen technischen Bereichen ermöglichen.
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Auxetische Eigenschaften als Schlüssel zur Stabilität
Das Besondere an diesem Material ist sein sogenanntes auxetisches Verhalten. Im Gegensatz zu den meisten bekannten Materialien, die sich bei Druck oder Zug entsprechend verformen, verhält sich dieses Material ungewöhnlich: Es zieht sich zusammen, wenn es gestaucht wird, und dehnt sich aus, wenn es auseinandergezogen wird. Dieses Verhalten führt zu einer hohen Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Belastungen und macht das Material besonders geeignet für Anwendungen, die eine hohe Energieabsorption erfordern.
Dr. Jiaming Ma, Hauptautor der Studie, erklärt: „Auxetika können Aufprallenergie effektiv absorbieren und verteilen, was sie äußerst nützlich macht.“ Natürliche auxetische Materialien finden sich unter anderem in Sehnen und bestimmten Tierfellen, während technische Anwendungen bereits in Form von medizinischen Stents existieren. Diese können sich bei Bedarf gezielt ausdehnen und zusammenziehen, um beispielsweise Blutgefäße offen zu halten. Dennoch waren bisherige auxetische Materialien oft zu weich oder hatten eine zu geringe Steifigkeit, um als Baustoff genutzt zu werden.
Doppelgitterstruktur sorgt für hohe Belastbarkeit
Um diese Herausforderungen zu überwinden, entwickelten die Forschenden ein spezielles Doppelgitterdesign, das sich an der Struktur des Venusblumenkörbchens orientiert. Das Besondere daran ist die Kombination aus zwei sich gegenseitig stabilisierenden Gitterstrukturen. „Jedes einzelne Gitter folgt den bekannten mechanischen Regeln, aber kombiniert ergeben sie eine selbstregulierende Struktur, die ihre Form beibehält und klassische auxetische Materialien in Steifigkeit und Festigkeit übertrifft“, so Ma.
Labortests und Simulationen ergaben, dass diese neue Struktur 13-mal steifer ist als bestehende auxetische Materialien, die auf klassischen Wabenkonstruktionen basieren. Darüber hinaus kann das Material 10 % mehr Energie absorbieren und bleibt dabei weiterhin auxetisch. Ein besonders bemerkenswerter Vorteil ist die um 60 % gesteigerte Dehnbarkeit im Vergleich zu bisherigen Konstruktionen, was für den Bau neuer Strukturen von großem Interesse ist.
Vielfältige Einsatzgebiete im Bauwesen und darüber hinaus
Diese einzigartige Kombination von Eigenschaften macht das Material besonders für das Bauwesen attraktiv. Es könnte als Alternative zu herkömmlichen Stahlgerüsten dienen und dabei den Einsatz von Beton und Stahl signifikant reduzieren. Eine geringere Materialnutzung könnte nicht nur Baukosten senken, sondern auch die Umweltbilanz von Bauprojekten verbessern.
Dr. Ngoc San Ha sieht darin eine große Chance: „Dieses bioinspirierte auxetische Gitter bietet eine solide Grundlage für nachhaltige Gebäude der Zukunft.“ Neben dem Bauwesen gibt es jedoch weitere vielversprechende Anwendungsbereiche. Beispielsweise könnte das Material als Grundlage für leichte, aber widerstandsfähige Sport- und Schutzausrüstung genutzt werden. Auch kugelsichere Westen oder flexible medizinische Implantate, die sich an den Körper anpassen können, sind denkbare Einsatzgebiete.
Nächster Schritt: Prototyp aus Stahl
Bisher wurde das Material an 3D-gedruckten Modellen aus thermoplastischem Polyurethan getestet. Der nächste Schritt ist nun die Herstellung von Prototypen aus Stahl, die in realen Bauprojekten eingesetzt werden könnten. Dabei sollen weitere Belastungstests durchgeführt werden, um das Material für industrielle Anwendungen zu optimieren.
Um die Eigenschaften der Struktur weiter zu verbessern, planen die Forschenden, moderne Algorithmen für maschinelles Lernen einzusetzen. Diese könnten dabei helfen, das Design weiter zu optimieren und sogenannte programmierbare Materialien zu entwickeln, die sich je nach Umgebungsbedingungen anpassen lassen.
Honorarpofessor Mike Xie hebt hervor, dass die Natur eine wertvolle Inspirationsquelle für technische Innovationen ist: „Die Biomimetik schafft nicht nur elegante Designs, sondern auch intelligente Lösungen, die durch Millionen Jahre Evolution optimiert wurden.“
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