{"id":87186,"date":"2021-04-19T06:41:55","date_gmt":"2021-04-19T04:41:55","guid":{"rendered":"https:\/\/news.bio-based.eu\/?p=87186"},"modified":"2021-06-18T19:47:15","modified_gmt":"2021-06-18T17:47:15","slug":"hauchduennes-nanopapier-wechselt-auf-knopfdruck-von-fest-zu-weich","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/hauchduennes-nanopapier-wechselt-auf-knopfdruck-von-fest-zu-weich\/","title":{"rendered":"Hauchd\u00fcnnes Nanopapier wechselt auf Knopfdruck von fest zu weich"},"content":{"rendered":"

Die Materialwissenschaft nimmt sich gern die Natur zum Vorbild und die besonderen Eigenschaften von Lebewesen, die man vielleicht auch auf Werkstoffe \u00fcbertragen k\u00f6nnte. Einem Forschungsteam um den Chemiker Prof. Dr. Andreas Walther von der Johannes Gutenberg-Universit\u00e4t Mainz (JGU) ist es gelungen, Materialien mit einer bioinspirierten Eigenschaft auszustatten: Hauchd\u00fcnnes, steifes Nanopapier wird auf Knopfdruck augenblicklich weich und elastisch.
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“Wir haben das Material mit einem Mechanismus versehen, sodass die Festigkeit und Steifheit \u00fcber einen elektrischen Schalter moduliert werden kann”, erkl\u00e4rt Walther. Sobald elektrischer Strom flie\u00dft, wird das Nanopapier weich; stoppt der Stromfluss, erh\u00e4lt es seine Festigkeit zur\u00fcck. Aus Anwendungsperspektive k\u00f6nnte diese Schaltbarkeit zum Beispiel f\u00fcr D\u00e4mpfungsmaterialien interessant sein. Die Arbeit, an der au\u00dferdem Wissenschaftler der Albert-Ludwigs-Universit\u00e4t Freiburg und des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gef\u00f6rderten Exzellenzclusters “Living, Adaptive, and Energy-autonomous Materials Systems” (livMatS) beteiligt waren, wurde im Fachmagazin Nature Communications publiziert.<\/p>\n

Vorbild vom Meeresboden: Wechselmechanismus als Schutzfunktion<\/h3>\n

Das Vorbild aus der Natur sind in diesem Falle Seegurken. Die Meeresbewohner verf\u00fcgen \u00fcber einen besonderen Verteidigungsmechanismus: Wenn sie in ihrem Lebensraum am Meeresboden von Fressfeinden attackiert werden, k\u00f6nnen die Tiere ihr Gewebe anpassen und verst\u00e4rken, sodass ihr weiches \u00c4u\u00dferes unmittelbar versteift. “Das ist ein adaptives mechanisches Verhalten, das fundamental gesehen schwierig nachzubilden ist”, erl\u00e4utert Prof. Dr. Andreas Walther. Mit der jetzt ver\u00f6ffentlichten Arbeit ist es seinem Team gelungen, das Grundprinzip mit einem attraktiven Material und einem ebenfalls attraktiven Schaltmechanismus in abgewandelter Form nachzuahmen.<\/p>\n

\"Abb.\/\u00a9:
Abb.\/\u00a9: Andreas Walther
Die Steifheit des Zellulose-Nanopapiers \u00e4ndert sich mit der Stromzufuhr.<\/figcaption><\/figure>\n

Die Wissenschaftler haben dazu Zellulose-Nanofibrillen verwendet, die aus der Zellwand von B\u00e4umen extrahiert und aufgearbeitet werden. Nanofibrillen sind noch feiner als die Mikrofasern im Papier und ergeben ein komplett durchsichtiges, fast glasartiges Papier. Das Material ist steif und zugfest und wird im Leichtbau eingesetzt. Seine Eigenschaften sind mit denen von Aluminiumlegierungen vergleichbar. In seiner Arbeit hat das Forschungsteam an diese Zellulose-Nanofibrillen Strom angelegt, \u00fcber speziell designte molekulare Ver\u00e4nderungen wird das Material dadurch flexibel. Der Prozess ist umkehrbar und kann \u00fcber den Ein- und Ausschalter gesteuert werden.<\/p>\n

“Das ist au\u00dfergew\u00f6hnlich. Alle Materialien um uns herum sind wenig ver\u00e4nderlich, sie wechseln nicht ohne Weiteres von steif auf elastisch und umgekehrt. Hier k\u00f6nnen wir das mithilfe von Strom auf leichte und elegante Weise bewerkstelligen”, so Walther. Die Entwicklung entfernt sich damit von den klassischen statischen Materialien hin zu Materialien, deren Eigenschaften adaptiv anpassbar sind. Relevant ist dies f\u00fcr mechanische Materialien, die somit bruchresistenter gestaltet werden k\u00f6nnen, oder f\u00fcr adaptive D\u00e4mpfungsmaterialien, die beispielsweise bei \u00dcberlastung von steif auf nachgiebig switchen.<\/p>\n

Ziel ist Material mit eigenem Energiespeicher f\u00fcr autonomes Ein- und Ausschalten<\/h3>\n

Auf molekularer Ebene wird bei dem Vorgang das Ausgangsmaterial durch die Stromzufuhr erw\u00e4rmt und in der Folge werden Vernetzungspunkte reversibel gebrochen. Das Material erweicht als Funktion der angelegten Spannung, also je h\u00f6her die Spannung, desto mehr Vernetzungspunkte brechen und desto weicher wird das Material. Beim Punkt der Stromzufuhr setzt dann auch die Zukunftsvision von Prof. Dr. Andreas Walther an: W\u00e4hrend aktuell noch eine Stromquelle ben\u00f6tigt wird, um die Reaktion zu starten, w\u00e4re das n\u00e4chste Ziel ein Material mit einem eigenen Energiespeichersystem, sodass die Reaktion praktisch “intern” ausgel\u00f6st wird, sobald beispielsweise eine \u00dcberlastung eintritt und D\u00e4mpfung notwendig w\u00fcrde. “Jetzt m\u00fcssen wir den Schalter noch selbst umlegen, aber unser Traum w\u00e4re es, dass das Materialsystem dies von sich aus bewerkstelligen kann.”<\/p>\n

Andreas Walther hat bei dieser Arbeit eng mit seinen Kollegen von der Universit\u00e4t Freiburg kooperiert. Er ist einer der Gr\u00fcnder des Freiburger Exzellenzclusters “Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems” (livMatS), in dem er sich weiterhin als assoziierter Wissenschaftler engagiert. Seit Oktober 2020 ist Walther Professor f\u00fcr Makromolekulare Chemie an der Johannes Gutenberg-Universit\u00e4t Mainz und au\u00dferdem Fellow des Gutenberg Forschungskollegs (GFK) der JGU. F\u00fcr sein Projekt “Metabolic Mechanical Materials: Adaptation, Learning & Interactivity” (M3ALI) erhielt er einen ERC Consolidator Grant, eine der h\u00f6chstdotierten F\u00f6rderma\u00dfnahmen der EU, die an Spitzenforscherinnen und Spitzenforscher vergeben wird.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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