Flexibel wie Gummi, stark wie Stahl: MIT druckt neues Metamaterial
MIT-Forschende kombinieren Steifigkeit und Elastizität in einem 3D-gedruckten Metamaterial – inspiriert von der Struktur weicher Gele.
Ingenieure des MIT haben nun einen Weg gefunden, ein Metamaterial herzustellen, das sowohl stabil als auch dehnbar ist. Das Grundmaterial ist in der Regel sehr steif und spröde, wird jedoch in präzisen, komplexen Mustern gedruckt, die eine Struktur bilden, die sowohl stabil als auch flexibel ist.
Foto: Courtesy of Carlos Portela, et al
MIT-Forschende haben ein synthetisches Metamaterial entwickelt, das bisher als unvereinbar geltende Eigenschaften vereint: hohe Festigkeit und extreme Dehnbarkeit. Durch den 3D-Druck zweier mikroskopischer Netzwerke – eines starr, das andere flexibel – entstand ein Material, das sich auf das Vierfache seiner Länge dehnen lässt, ohne zu brechen. Inspiriert von Hydrogelen, könnten solche „Doppelnetzwerk“-Strukturen künftig in dehnbaren Halbleitern, Textilien oder biomedizinischen Anwendungen zum Einsatz kommen.
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Der alte Zielkonflikt: Stabil oder biegsam?
Lange Zeit folgte die Entwicklung künstlicher Materialien einem klaren Prinzip: je fester, desto besser. Insbesondere in der Forschung rund um sogenannte Metamaterialien galt Steifigkeit als Maß aller Dinge. Metamaterialien sind synthetisch hergestellte Werkstoffe mit feinen inneren Strukturen. Diese Strukturen verleihen dem Gesamtmaterial ungewöhnliche physikalische Eigenschaften. Doch ein Problem blieb: Mit wachsender Steifigkeit nimmt die Flexibilität ab.
Ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun einen Werkstoff vorgestellt, der eine Lücke schließt. Er ist sowohl dehnbar als auch belastbar. Carlos Portela, Professor am MIT, fasst das Ziel so zusammen: „Wir erschließen damit ein neues Gebiet für Metamaterialien.“ Das neu entwickelte Material basiert auf einem kunststoffähnlichen Polymer, das im Rohzustand hart und spröde ist. Die Besonderheit liegt nicht im Material selbst, sondern in seiner Struktur. Mithilfe eines hochpräzisen 3D-Druckverfahrens – der Zwei-Photonen-Lithografie – entsteht eine Kombination zweier Netzwerke: eines fest, das andere flexibel.
Zwei Netzwerke – ein Ergebnis
Das Prinzip erinnert an das Zusammenspiel von Knochen und Bindegewebe: Das erste Netzwerk besteht aus starren, gitterartigen Strukturen. Sie geben Stabilität. Das zweite Netzwerk windet sich in Form von spiralförmigen Elementen durch das starre Gerüst und macht das gesamte Material dehnbar. Beide Netzwerke bestehen aus demselben Acrylpolymer, werden aber unterschiedlich strukturiert. Das Ergebnis: Ein Metamaterial, das sich auf das Vierfache seiner Länge dehnen lässt – ohne zu reißen.
Zum Vergleich: Derselbe Kunststoff ohne diese Struktur zerbricht bei deutlich geringerer Belastung.
Hydrogele als Vorbild
Der Impuls zu dieser Entwicklung kam aus einem ganz anderen Bereich. Portela und sein Team ließen sich von sogenannten Hydrogelen inspirieren – wasserhaltigen Materialien, die weich und elastisch sind. In der Biomedizin kennt man sie als Grundlage für weiches Gewebe. Ihre besondere Eigenschaft: Sie kombinieren zwei unterschiedlich steife Molekülnetzwerke. Genau dieses Prinzip übertrugen die MIT-Forschenden auf feste Kunststoffe.
„Das war unser Aha-Erlebnis“, erinnert sich Portela. „Wir dachten: Können wir uns von diesen Hydrogelen inspirieren lassen, um ein Metamaterial mit ähnlichen Eigenschaften zu entwickeln?“
Belastungstests im Nanobereich
Um die Belastbarkeit ihres Designs zu testen, druckte das Team kleine Proben – von wenigen Mikrometern bis zu mehreren Quadratmillimetern Größe. Diese wurden auf Dehnung getestet, während hochauflösende Kameras die Reaktionen aufzeichneten. Ergebnis: Das neue Design zeigte nicht nur deutlich höhere Dehnbarkeit, sondern auch mehr Widerstand gegen Brüche. Ein herkömmlich gedrucktes Gitter aus demselben Material hielt nur ein Zehntel der Belastung aus.
Portela erklärt die Wirkung mit einem anschaulichen Bild: „Stellen Sie sich dieses gewebte Netzwerk wie ein Durcheinander von Spaghetti vor, die sich um ein Gitter gewickelt haben. Wenn wir das monolithische Gitterwerk zerbrechen, verheddern sich all diese Spaghetti mit den Gitterstücken.“ Diese Verflechtung erzeugt zusätzliche Reibung – und sorgt dafür, dass sich die Spannung besser verteilt.
Defekte als Designvorteil
Ein überraschender Effekt trat ein, als das Team gezielt kleine Löcher in die Struktur einfügte. Entgegen der Erwartung erhöhte sich dadurch die Dehnbarkeit – sogar um das Doppelte. Außerdem stieg die Menge an Energie, die das Material aufnehmen und beim Reißen ableiten konnte, um das Dreifache.
James Utama Surjadi, Erstautor der Studie, erklärt: „Man könnte meinen, dass das Material dadurch schlechter wird. Aber wir haben festgestellt, dass wir durch das Hinzufügen von Defekten die Dehnbarkeit verdoppeln konnten.“
Reißfest, formbar, anpassbar – und vielseitig einsetzbar
Der neue Werkstoff könnte künftig in verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Die Kombination aus Belastbarkeit und Flexibilität eignet sich laut Forschungsteam besonders für:
- dehnbare Elektronik und Halbleiter
- reißfeste technische Textilien
- flexible Verpackungen für Chips
- elastische Gerüste für die Zellkultivierung
Ein weiterer Vorteil: Das Design ist auf andere Materialien übertragbar – etwa Metalle, Glas oder Keramiken. Ziel ist es, auch spröden Materialien neue Eigenschaften zu verleihen.
Der nächste Schritt: Multifunktionale Materialien
Das Team plant bereits, das Prinzip weiterzuentwickeln. Die Idee: Die beiden Netzwerke könnten künftig aus verschiedenen Polymeren bestehen, die unterschiedlich auf äußere Reize reagieren. Ein Beispiel: Materialien, die sich bei Wärme dehnen und bei Kälte steif werden. Oder Textilien, die bei Hitze „atmen“, indem sich Poren öffnen.
„Bisher haben wir über mechanische Eigenschaften gesprochen“, sagt Portela. „Aber was wäre, wenn wir sie auch leitfähig oder temperaturempfindlich machen könnten?“
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