Neues Material

Magnetisches Formgedächtnis

Magnetic_Shape_Memory
Paolo Testa, Erstautor der Studie, mit einem Modell der prinzipiellen Struktur des formerinnernden Materials (Bild: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)
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Forscher entwickeln ein neues Material, dessen Formgedächtnis durch Magnetismus aktiviert wird. Der Verbundstoff besteht aus einem Polymer und darin eingelagerten Tröpfchen. Anwendungsgebiete sind beispielsweise Medizin, Elektronik oder Robotik.

Es sieht aus wie ein Zaubertrick: Ein Magnet entfernt sich von einem schwarzen, verwundenen Band und dieses entspannt sich – ohne weitere Einwirkung. Was wie Magie aussieht, lässt sich mit Magnetismus erklären. Das schwarze Band besteht nämlich aus einem Verbundstoff aus zwei Komponenten: einem Polymer auf Silikonbasis und kleinen Tröpfchen aus Wasser und Glyzerin, in denen winzige Partikel aus Carbonyleisen schweben. Letztere sorgen für die magnetischen Eigenschaften des Materials und sein Formgedächtnis. Zwingt man den Verbundstoff mittels einer Pinzette in eine bestimmte Form und setzt ihn dann einem Magnetfeld aus, so behält er diese Form bei, selbst wenn man die Pinzette entfernt. Erst wenn man das Magnetfeld ebenfalls entfernt, nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form an.

Eingelagerte Tröpfchen

Bislang bestehen vergleichbare Materialien aus einem Polymer und eingelagerten Metallpartikeln. Die Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI und der schweizer ETH Zürich fügten stattdessen die magnetischen Partikel mithilfe von Tröpfchen aus Wasser und Glyzerin in das Polymer. Dadurch erzeugten sie eine Dispersion, ähnlich wie sie von Milch bekannt ist. In Milch sind winzige Fetttröpfchen in einer wässrigen Lösung fein verteilt. Diese sind wesentlich für die weiße Färbung verantwortlich.

In dem neuen Material verteilen sich die Tröpfchen der Flüssigkeit mit den magnetischen Partikeln ähnlich fein. „Da es sich bei der im Polymer dispergierten magnetisch empfindlichen Phase um eine Flüssigkeit handelt, sind die Kräfte, die beim Anlegen eines Magnetfeldes erzeugt werden, wesentlich größer als bisher bekannt“, erklärt Laura Heyderman, Leiterin der Gruppe Mesoskopische Systeme am PSI und Professorin an der ETH Zürich. Wirkt ein Magnetfeld auf den Verbundstoff, versteift dieser.

Flüssigkeit richtete sich nach Magnetfeld aus

Mit Hilfe von röntgentomografischen Aufnahmen stellten die Forscher fest, dass sich unter Einwirkung eines Magnetfeldes die Länge der Tröpfchen in dem Polymer vergrößert und sich die Carbonyleisen-Partikel in der Flüssigkeit zumindest teilweise entlang der magnetischen Feldlinien ausrichten. Beides führt dazu, dass sich die Steifigkeit des getesteten Materials bis auf das 30-Fache erhöht.

Dass das Formgedächtnis des neuen Materials durch Magnetfelder aktiviert wird, bietet neben der größeren Kraftentfaltung den Vorteil wärmeunabhängig zu sein, was vor allem in der Medizin eine wichtige Rolle spielt. Mögliche Anwendungen könnten zum Beispiel Katheder sein, die bei minimalinvasiven Operationen durch Blutgefäße zum Operationsort im Körper geschoben werden, ihre Steifigkeit verändern. In der Elektronik dienen weiche Funktionsmaterialien als flexible Strom- oder Datenleitungen, beispielsweise in sogenannten Wearables, also Geräten, die man in der Kleidung oder direkt am Körper trägt. In der Robotik könnten sie mechanische Bewegungen ohne einen Motor ausführen.

https://dx.doi.org/10.1002/adma.201900561

http://psi.ch/node/28661

https://youtu.be/8DkTq91gkQY

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