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Die zellulären Formen natürlicher Materialien sind die Inspiration für ein neues, leichtes, in 3D gedrucktes, intelligentes, architektonisches Material, das von einem internationalen Team von Ingenieuren entwickelt wurde.
Das Team unter der Leitung von Ingenieuren der Universität Glasgow mischte eine gängige Form von Industriekunststoff mit Kohlenstoffnanoröhren, um ein Material zu schaffen, das widerstandsfähiger, stärker und intelligenter ist als vergleichbare herkömmliche Materialien.
Die Nanoröhrchen ermöglichen es dem ansonsten nicht leitenden Kunststoff außerdem, eine elektrische Ladung durch seine Struktur zu tragen. Wenn die Struktur mechanisch belastet wird, ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Dieses Phänomen, das als Piezosensitivität bezeichnet wird, verleiht dem Material die Fähigkeit, seinen strukturellen Zustand zu “spüren”.
Durch den Einsatz fortschrittlicher 3D-Drucktechniken, die ein hohes Maß an Kontrolle über das Design der gedruckten Strukturen bieten, konnte das Team eine Reihe komplexer Designs mit mesoskaliger poröser Architektur erstellen, die dazu beiträgt, das Gesamtgewicht jedes Designs zu reduzieren und die mechanische Leistung zu maximieren.
Die zellulären Designs des Teams ähneln porösen Materialien, die in der Natur vorkommen, wie Bienenstöcke, Schwämme und Knochen, die leicht, aber robust sind.
Die Forscher sind der Ansicht, dass ihre zellulären Materialien neue Anwendungen in der Medizin, der Prothetik sowie im Automobil- und Luftfahrtsektor finden könnten, wo Materialien mit geringer Dichte und hoher Widerstandsfähigkeit gefragt sind, die in der Lage sind, sich selbst zu steuern.
Die Forschungsergebnisse sind online in der Zeitschrift Advanced Engineering Materials veröffentlicht worden.
Darin beschreiben die Forscher, wie sie die energieabsorbierenden und -sensitiven Eigenschaften von drei verschiedenen nanotechnologischen Designs untersucht haben, die sie mit ihrem maßgeschneiderten Material gedruckt haben, das aus statistischem Polypropylen-Copolymer und mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren besteht.
Von den drei getesteten Designs wies eines die effektivste Mischung aus mechanischer Leistung und Selbstsensorfähigkeit auf – ein würfelförmiges “Plattengitter”, das dicht gepackte flache Blätter enthält.
Die Gitterstruktur zeigt bei monotoner Kompression ein ähnliches Energieaufnahmevermögen wie Nickelschäume derselben relativen Dichte. Sie übertraf auch eine Reihe anderer herkömmlicher Materialien gleicher Dichte.
Die Forschungsarbeiten wurden von Dr. Shanmugam Kumar von der James Watt School of Engineering der Universität Glasgow zusammen mit seinen Kollegen Professor Vikram Deshpande von der Universität Cambridge und Professor Brian Wardle vom Massachusetts Institute of Technology geleitet.
Dr. Kumar sagte: “Die Natur kann Ingenieuren viel darüber beibringen, wie man Eigenschaften und Struktur in Einklang bringt, um leichte Hochleistungswerkstoffe zu schaffen. Wir haben uns von diesen Formen inspirieren lassen, um unsere neuen zellulären Werkstoffe zu entwickeln, die einzigartige Vorteile gegenüber ihren konventionell hergestellten Gegenstücken bieten und deren physikalische Eigenschaften fein abgestimmt werden können.
Das von uns gewählte Polypropylen-Random-Copolymer bietet eine bessere Verarbeitbarkeit, eine höhere Temperaturbeständigkeit, eine bessere Produktkonsistenz und eine höhere Schlagfestigkeit. Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen machen es mechanisch robust und verleihen ihm gleichzeitig elektrische Leitfähigkeit. Wir können das Ausmaß der Porosität im Design wählen und die poröse Geometrie so gestalten, dass die massenspezifischen mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
Leichte, widerstandsfähige, selbstsensitive Materialien wie diese haben ein großes Potenzial für praktische Anwendungen. Sie könnten beispielsweise dazu beitragen, leichtere, effizientere Autokarosserien zu bauen, oder Rückenstützen für Menschen mit Problemen wie Skoliose, die erkennen, wenn ihr Körper nicht optimal gestützt wird. Sie könnten sogar verwendet werden, um neue Formen von architektonischen Elektroden für Batterien zu entwickeln.”
Die Arbeit des Teams mit dem Titel “Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabled by additive manufacturing” wurde in der Zeitschrift Advanced Engineering Materials veröffentlicht.
