Nicht nur einmal, sondern hunderte von Malen können Bauteile aus einem neuen Material ihre Gestalt wechseln. Die Entwickler sehen sie als Aktuatoren und haben eine Reihe von Ideen, wie man diese Erfindung nutzen könnte.
Formgedächtnis – also der temperaturabhängige und programmierbare Wechsel zwischen zwei Gestaltvarianten eines Werkstückes – ist für Metalle schon lange bekannt und wird in verschiedenen Branchen genutzt. Dass aber auch Kunststoffe bei einer wählbaren Temperaturschwankung immer wieder in ihrer Form hin- und herwechseln, haben jüngst Teltower Biomaterialforscher gezeigt. Sie bezeichnen das von ihnen entwickelte Material als „Polymer-Aktuatoren“ und überwinden damit eine entscheidende Beschränkung ähnlicher Werkstoffe.
Bisher konnten Polymere mit temperaturgesteuertem Formgedächtnis nur ein einziges Mal von einer Form in die andere umschalten. Die neuen Aktuatoren können viele hundert Mal die Form ändern, sobald die Umgebungstemperatur Schwellenwerte über- und wieder unterschreitet. Sowohl die Schwellenwerte als auch die Art der Formänderung sind durch die Programmierung der Kunststoffe relativ frei wählbar, was viele Anwendungen ermöglicht.
Ein Beispiel sind Sonnen-Jalousien, die keine externe Stromversorgung benötigen und dennoch in der Lage sind, die Verdunkelung eines Raumes nur über ihre Erwärmung zu steuern. Ebenfalls denkbar ist eine Wärme-Kraft-Maschine, in der die Aktuatoren die Basis für ein Antriebselement sind.
Die Wissenschaftler haben das Funktionsprinzip der Maschine gezeigt, in der sich beim Erwärmen ein Kunststoff entfaltet und so eine Antriebseinheit bewegt. Beim Abkühlen nimmt er den Ursprungszustand wieder ein. Über das Temperaturgedächtnis lässt sich die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebseinheit steuern.
Die aktiv-beweglichen Polymere sind auf molekularer Ebene aus Strukturelementen aufgebaut, die über einen sehr breiten Temperaturbereich ihre Beweglichkeit ändern. Um die Aktivität auf Nanoebene in makroskopische Bewegung umzuwandeln, werden diese Strukturelemente zu einem Teil einem internen Gerüst zugeordnet, welches die Bewegungsgeometrie festlegt und der Bewegung eine Orientierung verleiht. Der Anteil von Bewegungselementen und formgebenden Elementen kann variiert werden, worüber sich die Bewegung steuern lässt.
Die Polymer-Aktuatoren basieren auf dem Copolymer Poly(ethylen-co-vinylacetat), das unvernetzt bereits in der Medizintechnik verwendet wird und thermoplastisch verarbeitet werden kann. Es sind viele Anwendungen in der Medizin vorstellbar, insbesondere in der minimal-invasiven Chirurgie.
Weitere Informationen Die Polymer-Aktuatoren wurden von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Geesthacht in der Online-Ausgabe der renommierten Zeitschrift PNAS Anfang Juli vorgestellt. www.pnas.org/content/by/year Über das Institut: http://biomaterialien.hzg.de
STAND DER TECHNIK
Teilen:
