Legierungen, die nach Verformungen zu ihrer Ausgangsstruktur zurückwechseln können, besitzen ein sogenanntes Formgedächtnis. Dieses Phänomen und die daraus resultierenden Kräfte kommen in vielen maschinellen Antriebssystemen zur Anwendung, beispielsweise bei Generatoren oder Hydraulikpumpen. Jedoch wird dieser Formgedächtniseffekt bisher nicht im kleinen Nanobereich genutzt: Bei vielen Legierungen mit Formgedächtnis wechseln Objekte nur dann in ihre Ursprungsform zurück, wenn sie größer als rund 50 nm sind.
Muskelfasern oder Teile der Wirbelsäule ersetzen
Forschende um Salvador Pané, Professor für Robotik-Materialien an der ETH Zürich, und Xiang-Zhong Chen, Wissenschaftler in dieser Gruppe, umgehen diese Einschränkung mithilfe von keramischen Stoffen. In einer Studie demonstrieren sie den Formgedächtniseffekt an einer etwa zwanzig Nanometer dünnen Schicht aus Materialien, sogenanten ferroischen Oxiden. Das ist die kleinste Probengröße, an der jemals ein solcher Effekt beobachtet wurde. Diese Errungenschaft ermöglicht die Anwendung des Formgedächtniseffekts nun auch bei winzigen Maschinen im Nanobereich.
Bei den entwickelten nanoskaligen Strukturen aus ferroischen Oxiden löst elektrische Energie einen Formgedächtniseffekt aus. Zudem sind sie hochelastisch, belastbar, und sie ermöglichen flexible Bewegungen. Die Reaktion auf elektrische Energie ist besser geeignet für zahlreiche Anwendungen, als die punktuelle Temperaturmanipulationen, die den Formgedächtniseffekt sonst hervorrufen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung: Dank ihrer hohen Elastizität könnten die Oxide Muskelfasern oder Teile der Wirbelsäule ersetzen. Eine weitere Anwendung sind neuartige nanoskalige Robotiksysteme. Bei dieser Anwendung kann die mechanische Bewegung, die beim Umschalten der beiden Strukturformen entsteht, zum Antrieb kleinster Motoren verwendet werden.
Implantierte Roboter möglich
In einer weiteren Studie konnten die Forschenden freistehende Oxid-Strukturen dahingehend weiterentwickeln, dass sich ihre sogenannten magnetoelektrischen Eigenschaften genau kontrollieren und einstellen lassen. Angewendet könnten solche Formgedächtnisoxide unter anderem zur Herstellung von Nanorobotern. Diese werden in die Körper implantiert, um Zellen zu stimulieren oder Gewebe zu reparieren. Durch externe magnetische Felder könnten solche Nanoroboter in eine andere Struktur umwandeln. Sie führen zum Beispiel im menschlichen Körper bestimmte Funktionen aus.
„Außerdem könnte man die magnetoelektrischen Eigenschaften der Formgedächtnis-Oxid-Strukturen nutzen, um Zellen innerhalb des Körpers elektrisch zu stimulieren, beispielsweise um Nervenzellen im Gehirn zu aktivieren, für Herztherapien oder um die Knochenheilung zu beschleunigen“, sagt Salvador Pané. Und schließlich könnten magnetoelektrische Formgedächtnis-Oxide in nanoskaligen Geräten wie winzigen Antennen oder Sensoren eingesetzt werden.
https://doi.org/10.1038/s41467–023–36274-w
https://doi.org/10.1002/admt.202202097
