Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues Material mit magnetischem Formgedächtnis

04.06.2019

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben ein neues Material entwickelt, dessen Formgedächtnis durch Magnetismus aktiviert wird. Es handelt sich um einen Verbundstoff aus zwei Komponenten. Dieser behält eine einmal vorgegebene Form bei, wenn er in ein Magnetfeld gerät. Das Besondere an dem neuen Material: Anders als bisherige formerinnernde Stoffe besteht es aus einem Polymer und darin eingelagerten Tröpfchen, einer sogenannten magnetorheologischen Flüssigkeit. Anwendungsgebiete für diese neue Art Verbundstoff sind beispielsweise Medizin, Raumfahrt, Elektronik oder Robotik. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden jetzt im Fachmagazin Advanced Materials.

Es sieht aus wie ein Zaubertrick: Ein Magnet entfernt sich von einem schwarzen, verwundenen Band und dieses entspannt sich – ohne weitere Einwirkung (siehe Video). 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.


Paolo Testa, Erstautor der Studie, mit einem Modell der prinzipiellen Struktur des formerinnernden Materials

Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic


Laura Heyderman (links), Paolo Testa (Mitte) und Eric Dufresne mit einem Streifen des neuen Materials im Magnetfeld

Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic

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.

Bislang bestehen vergleichbare Materialien aus einem Polymer und eingelagerten Metallpartikeln. Die Forschenden des PSI und der 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. «Dieses neue Materialkonzept konnte nur durch die Zusammenarbeit von Gruppen mit Expertise aus zwei völlig unterschiedlichen Bereichen – magnetischen und weichen Materialien – entstehen», so Heyderman.

Formgedächtnis durch Ausrichtung am Magnetfeld

Die Forschenden untersuchten das neue Material unter anderem mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. Mit den damit angefertigten röntgentomografischen Aufnahmen stellten sie 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 einen weiteren Vorteil. Die meisten formerinnernden Stoffe reagieren auf Temperaturschwankungen. Bei Anwendungen in der Medizin tauchen dadurch zwei Probleme auf. Erstens schadet zu grosse Hitze den körpereigenen Zellen. Zweitens lässt sich eine gleichmässige Erwärmung eines formerinnernden Gegenstands nicht immer gewährleisten. Beide Nachteile umgeht das Anschalten des Formgedächtnisses per Magnetfeld.

Mechanisch aktive Materialien für Medizin und Robotik

«Mit unserem neuen Verbundstoff haben wir einen weiteren wichtigen Schritt hin zur Vereinfachung von Bauteilen in ganz verschiedenen Anwendungsgebieten wie der Medizin oder der Robotik gemacht», freut sich Paolo Testa, Materialwissenschaftler an der ETH Zürich und am PSI sowie Erstautor der Studie. «Unsere Arbeit dient daher als Ausgangspunkt für eine neue Klasse von mechanisch aktiven Materialien.»

Für formerinnernde Stoffe sind zahlreiche Anwendungen in Medizin, Raumfahrt, Elektronik oder Robotik denkbar. So könnten Katheder, die bei minimalinvasiven Operationen durch Blutgefässe zum Operationsort im Körper geschoben werden, ihre Steifigkeit verändern. Das bietet den Vorteil, dass sie nur dann fest werden müssen, wenn das benötigt wird, und sie deshalb – zum Beispiel beim Gleiten durch ein Blutgefäss – weniger Nebenwirkungen wie Thrombosen erzeugen.

In der Raumfahrt sind formerinnernde Materialien als eine Art Reifen für Erkundungsfahrzeuge gefragt, die sich eigenständig aufblähen oder wieder zusammenfalten. 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. Formgedächtnis eröffnet auch neue Möglichkeiten, beispielsweise können formerinnernde Materialien in der Robotik mechanische Bewegungen ohne einen Motor ausführen.

Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden nun im Fachmagazin Advanced Materials.

Text: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 407 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Laura Heyderman
Forschungsgruppe Mesoskopische Systeme
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 26 13, E-Mail: laura.heyderman@psi.ch [Englisch, Deutsch, Französisch]

Paolo Testa
Labor für Mesoskopische Systeme, Departement Materialwissenschaft
ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
Telefon: +41 44 632 37 62, E-Mail: paolo.testa@mat.ethz.ch [Englisch, Italienisch]

Prof. Eric. R. Dufresne
Labor Weiche und Lebende Materialien, Departement Materialwissenschaft
ETH Zürich, 8093 Zürich, Schweiz
Telefon: +41 44 633 44 84, E-Mail: eric.dufresne@mat.ethz.ch [Englisch]

Originalpublikation:

Magnetically Addressable Shape-memory and Stiffening in a Composite Elastomer
Paolo Testa, Robert W. Style, Jizhai Cui, Claire Donnelly, Elena V. Borisova, Peter M. Derlet, Eric R. Dufresne and Laura J. Heyderman
Advanced Materials, 4. Juni 2019
DOI: https://dx.doi.org/10.1002/adma.201900561

Weitere Informationen:

http://psi.ch/node/28661 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI und Bildmaterial

Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Innovatives Pulver revolutioniert 3D-Metalldruck
19.06.2019 | Technische Universität Graz

nachricht Weltraumschrott verringern: HZG-Wissenschaftler helfen beim Sauberhalten
30.05.2019 | Helmholtz-Zentrum Geesthacht - Zentrum für Material- und Küstenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erfolgreiche Praxiserprobung: Bidirektionale Sensorik optimiert das Laserauftragschweißen

Die Qualität generativ gefertigter Bauteile steht und fällt nicht nur mit dem Fertigungsverfahren, sondern auch mit der Inline-Prozessregelung. Die Prozessregelung sorgt für einen sicheren Beschichtungsprozess, denn Abweichungen von der Soll-Geometrie werden sofort erkannt. Wie gut das mit einer bidirektionalen Sensorik bereits beim Laserauftragschweißen im Zusammenspiel mit einer kommerziellen Optik gelingt, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT auf der LASER World of PHOTONICS 2019 auf dem Messestand A2.431.

Das Fraunhofer ILT entwickelt optische Sensorik seit rund 10 Jahren gezielt für die Fertigungsmesstechnik. Dabei hat sich insbesondere die Sensorik mit der...

Im Focus: Successfully Tested in Praxis: Bidirectional Sensor Technology Optimizes Laser Material Deposition

The quality of additively manufactured components depends not only on the manufacturing process, but also on the inline process control. The process control ensures a reliable coating process because it detects deviations from the target geometry immediately. At LASER World of PHOTONICS 2019, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be demonstrating how well bi-directional sensor technology can already be used for Laser Material Deposition (LMD) in combination with commercial optics at booth A2.431.

Fraunhofer ILT has been developing optical sensor technology specifically for production measurement technology for around 10 years. In particular, its »bd-1«...

Im Focus: Additive Fertigung zur Herstellung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt

Globalisierung und Klimawandel sind zwei der großen Herausforderungen für die Luftfahrt. Der »European Flightpath 2050 – Europe’s Vision for Aviation« der Europäischen Kommission für Forschung und Innovation sieht für Europa eine Vorreiterrolle bei der Vereinbarkeit einer angemessenen Mobilität der Fluggäste, Sicherheit und Umweltschutz vor. Dazu müssen sich Design, Fertigung und Systemintegration weiterentwickeln. Einen vielversprechenden Ansatz bietet eine wissenschaftliche Kooperation in Aachen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT und der Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen entwickeln zurzeit eine...

Im Focus: Die verborgene Struktur des Periodensystems

Die bekannte Darstellung der chemischen Elemente ist nur ein Beispiel, wie sich Objekte ordnen und klassifizieren lassen.

Das Periodensystem der Elemente, das die meisten Chemiebücher abbilden, ist ein Spezialfall. Denn bei dieser tabellarischen Übersicht der chemischen Elemente,...

Im Focus: The hidden structure of the periodic system

The well-known representation of chemical elements is just one example of how objects can be arranged and classified

The periodic table of elements that most chemistry books depict is only one special case. This tabular overview of the chemical elements, which goes back to...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Rittal und Innovo Cloud sind auf Supercomputing-Konferenz in Frankfurt vertreten

18.06.2019 | Veranstaltungen

Teilautonome Roboter für die Dekontamination - den Stand der Forschung bei Live-Vorführungen am 25.6. erleben

18.06.2019 | Veranstaltungen

KI meets Training

18.06.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Universität Jena mit innovativer Lasertechnik auf Photonik-Messe in München vertreten

19.06.2019 | Messenachrichten

Meilenstein für starke Zusammenarbeit: Neuer Standort für Rittal und Eplan in Italien

19.06.2019 | Unternehmensmeldung

Katalyse: Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

19.06.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics