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Abb. 1
Das aktive Hybridmaterial
HAIRS-1 bildet einen künstlichen Muskel, der sich hier von links
nach rechts bewegt. Solche aktiven biomimetischen Nanosysteme
könnten 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 für den Bau von Mikrogreifern und
anderen Bewegungssystemen einzusetzen, welche durch Veränderungen
der Luftfeuchtigkeit angetrieben werden.
Bilder:
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung |
Manche Blüten öffnen sich bei Tag scheinbar
wie von selbst und schließen sich, sobald es wieder dunkel wird. Es
scheint, als hätten sie Muskeln. Tatsächlich bewegen aber gelartige
Substanzen die Blütenblätter, indem sie abhängig von der
Luftfeuchtigkeit schwellen oder schrumpfen. In der Natur bedienen sich
nicht nur Blüten dieses hydraulischen Mechanismus, sondern auch
Tannenzapfen oder auch der fleischfressende Sonnentau.
Die Wissenschaftler nutzten diesen Mechanismus nun für neuartige
Werkstoffe, genannt HAIRS (hydrogel high-aspect-ratio rigid structures)
- Hybridsysteme aus nanometergroßen Siliziumnadeln und einem Hydrogel.
"Das Besondere des Hybridwerkstoffs ist die Kombination steifer und
unflexibler Körper, der Siliziumnadeln, mit elastischen und weichen
Verbindungselementen, dem Gel", sagt Prof. Peter Fratzl, Direktor am
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Dadurch
entsteht ein aktiver Werkstoff, also ein Stoff der Arbeit verrichten
kann. Je nach Luftfeuchtigkeit verändert das Gel nämlich seine
Oberfläche - es schrumpft oder es schwillt an und verändert 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 verhält sich wie
ein künstlicher Muskel. Bei HAIRS-1 sind die Siliziumnadeln nur in das
Gel eingebettet, dagegen sind bei HAIRS-2 die Nadeln zusätzlich fest
auf einer Siliziumoberfläche verankert. Mit folgender Auswirkung: "Im
Gegensatz zu HAIRS-1 können die Siliziumnadeln bei HAIRS-2 nicht
kippen, wenn das Gel schrumpft", erklärt Fratzl. Bei HAIRS-2 müssen
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 Kapillarkräfte auftreten. Das Gel verhält sich wie
Wasser auf einer Oberfläche - es strebt danach, seine
Oberflächenspannung zu verringern. Deshalb sitzt jeweils ein
Geltröpfchen 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
zurück.
Um die Hybridwerkstoffe herzustellen, ätzten die
Wissenschaftler zuerst einen Wald aus Siliziumstämmen in eine
Siliziumscheibe. Die aufrechten Nadeln aus Silizium sind anschließend
nur hundert bis dreihundert Nanometer dick und gerade mal fünf bis
acht Mikrometer lang. Sie bedecken die Fläche der Siliziumscheibe in
einem regelmäßigen Abstand von wenigen Mikrometern. Anschließend
füllten die Wissenschaftler diese kammartige Struktur mit einem Gel,
das sich chemisch fest an die Siliziumnadeln bindet. Für HAIRS-1
brechen die Wissenschaftler die Siliziumnadeln schließlich 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
Gebäude aus steifen Stangen mit elastischen Bändern. Solche Strukturen
sind flexibel und trotzdem stabil: Sie halten Wind und großen
Schneelasten stand. Er führte für dieses Prinzip den Begriff
Tensegrität (aus tension für Spannung und integrity für Unversehrtheit
oder Festigkeit) ein. Biologen erkannten später, dass auch das
mechanische Verhalten von Zellen dem Prinzip der Tensegrität 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 könnte für Mikroaktuatoren oder in der Mikrofluidik eine Anwendung
finden." [KS / CR]
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