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Abb. 1
Das aktive Hybridmaterial
HAIRS-1 bildet einen k�nstlichen Muskel, der sich hier von links
nach rechts bewegt. Solche aktiven biomimetischen Nanosysteme
k�nnten in Zukunft als Mikroaktuatoren oder in der Mikrofluidik
Bedeutung erhalten.
Abb. 2
Der aktive Hybridwerkstoff HAIRS-2 bildet hier
einen vierarmigen Greifer. Die Wissenschaftler stellen sich vor,
den neuen Werkstoff zum Beispiel f�r den Bau von Mikrogreifern und
anderen Bewegungssystemen einzusetzen, welche durch Ver�nderungen
der Luftfeuchtigkeit angetrieben werden.
Bilder:
Max-Planck-Institut f�r Kolloid- und Grenzfl�chenforschung |
Manche Bl�ten �ffnen sich bei Tag scheinbar
wie von selbst und schlie�en sich, sobald es wieder dunkel wird. Es
scheint, als h�tten sie Muskeln. Tats�chlich bewegen aber gelartige
Substanzen die Bl�tenbl�tter, indem sie abh�ngig von der
Luftfeuchtigkeit schwellen oder schrumpfen. In der Natur bedienen sich
nicht nur Bl�ten dieses hydraulischen Mechanismus, sondern auch
Tannenzapfen oder auch der fleischfressende Sonnentau.
Die Wissenschaftler nutzten diesen Mechanismus nun f�r neuartige
Werkstoffe, genannt HAIRS (hydrogel high-aspect-ratio rigid structures)
- Hybridsysteme aus nanometergro�en Siliziumnadeln und einem Hydrogel.
"Das Besondere des Hybridwerkstoffs ist die Kombination steifer und
unflexibler K�rper, der Siliziumnadeln, mit elastischen und weichen
Verbindungselementen, dem Gel", sagt Prof. Peter Fratzl, Direktor am
Max-Planck-Institut f�r Kolloid- und Grenzfl�chenforschung. Dadurch
entsteht ein aktiver Werkstoff, also ein Stoff der Arbeit verrichten
kann. Je nach Luftfeuchtigkeit ver�ndert das Gel n�mlich seine
Oberfl�che - es schrumpft oder es schwillt an und ver�ndert dadurch
die Orientierung der Siliziumnadeln. Mit diesem einfachen Prinzip
stellten die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Werkstoffe her:
HAIRS-1 und HAIRS-2.
Bei HAIRS-1 sind die Siliziumnadeln im Gel verteilt und parallel
ausgerichtet. Schrumpft das Gel zusammen, zieht es an den
Siliziumnadeln und kippt sie zur Seite. Das Material verh�lt sich wie
ein k�nstlicher Muskel. Bei HAIRS-1 sind die Siliziumnadeln nur in das
Gel eingebettet, dagegen sind bei HAIRS-2 die Nadeln zus�tzlich fest
auf einer Siliziumoberfl�che verankert. Mit folgender Auswirkung: "Im
Gegensatz zu HAIRS-1 k�nnen die Siliziumnadeln bei HAIRS-2 nicht
kippen, wenn das Gel schrumpft", erkl�rt Fratzl. Bei HAIRS-2 m�ssen
sich die Nadeln verbiegen - jeweils vier der benachbarten Nadeln
biegen sich aufeinander zu und bilden einen vierarmigen Greifer.
Diese spezielle Anordnung ergibt sich, da beim
Schrumpfen des Gels Kapillarkr�fte auftreten. Das Gel verh�lt sich wie
Wasser auf einer Oberfl�che - es strebt danach, seine
Oberfl�chenspannung zu verringern. Deshalb sitzt jeweils ein
Geltr�pfchen zwischen vier Nadeln, die sozusagen die Eckpfeiler
bilden. Schrumpft das Gel nun, zieht es die Nadeln an den Ecken nach
innen, es entsteht der vierarmige Greifer. Die Greifbewegung der
Nadeln ist komplett reversibel - wird das Gel wieder feucht, dehnt es
sich aus und die Nadeln bewegen sich in ihre aufrechte Position
zur�ck.
Um die Hybridwerkstoffe herzustellen, �tzten die
Wissenschaftler zuerst einen Wald aus Siliziumst�mmen in eine
Siliziumscheibe. Die aufrechten Nadeln aus Silizium sind anschlie�end
nur hundert bis dreihundert Nanometer dick und gerade mal f�nf bis
acht Mikrometer lang. Sie bedecken die Fl�che der Siliziumscheibe in
einem regelm��igen Abstand von wenigen Mikrometern. Anschlie�end
f�llten die Wissenschaftler diese kammartige Struktur mit einem Gel,
das sich chemisch fest an die Siliziumnadeln bindet. F�r HAIRS-1
brechen die Wissenschaftler die Siliziumnadeln schlie�lich noch von
ihrem Substrat ab - die Nadeln besitzen dann zwar eine geordnete
Struktur, werden aber nur durch das Gel fixiert.
Das mechanische Prinzip, nach dem HAIRS-1 arbeitet,
erkannte bereits der amerikanischen Ingenieur und Architekt Richard
Buckminster-Fuller (1895-1983). Buckminster-Fuller konstruierte
Geb�ude aus steifen Stangen mit elastischen B�ndern. Solche Strukturen
sind flexibel und trotzdem stabil: Sie halten Wind und gro�en
Schneelasten stand. Er f�hrte f�r dieses Prinzip den Begriff
Tensegrit�t (aus tension f�r Spannung und integrity f�r Unversehrtheit
oder Festigkeit) ein. Biologen erkannten sp�ter, dass auch das
mechanische Verhalten von Zellen dem Prinzip der Tensegrit�t folgt.
Der neue Hybridwerkstoff ist aber der erste aktive Werkstoff, der
diese der Natur abgeschaute Methode nutzt. "Wir haben uns von der
Biologie zu diesem aktiven Werkstoff inspirieren lassen", sagt Fratzl:
"Er k�nnte f�r Mikroaktuatoren oder in der Mikrofluidik eine Anwendung
finden." [KS / CR]
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