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.

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.

Foto: 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.

Foto: 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. 

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