Neuartige Materialien aus dem 3D-Drucker mit einzigartigen Eigenschaften

Ein Forschungsteam am California Institute of Technology (Caltech) unter der Leitung von Chiara Daraio hat eine neue Materialklasse entwickelt, die weder klassisch granular noch kristallin ist. Diese sogenannten PAMs (polycatenated architected materials) reagieren je nach Belastung entweder wie Flüssigkeiten oder wie Feststoffe. Die innovativen Materialien, die mithilfe von 3D-Druck hergestellt werden, könnten in Bereichen wie Schutzkleidung, Robotik oder Medizintechnik Anwendung finden.

„Wir begannen mit der Kompression“, erklärt Wenjie Zhou, Postdoktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Maschinenbau und Bauwesen. “Wir komprimierten die Objekte jedes Mal ein bisschen stärker. Dann versuchten wir es mit einer einfachen Scherung, einer seitlichen Kraft, wie man sie anwenden würde, wenn man versuchen würde, das Material zu zerreißen. Schließlich haben wir rheologische Tests durchgeführt, um zu sehen, wie die Materialien auf Verdrehung reagieren, erst langsam und dann immer schneller und stärker.“

PAMs basieren auf der Idee ineinandergreifender Strukturen, ähnlich wie Kettenhemden, jedoch in hochkomplexen dreidimensionalen Mustern. Die Materialien werden durch 3D-Druck hergestellt, wobei polymere, metallische oder andere Werkstoffe verwendet werden. Durch das Verketten von Ringen oder Käfigen entstehen Gitterstrukturen, die je nach Belastung unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Tests zeigten, dass PAMs bei Scherbelastung flüssigkeitsähnlich reagieren können, da die Elemente frei gegeneinander gleiten. Unter Druck hingegen verhärten sie und verhalten sich wie Feststoffe.

„Stellen Sie sich vor, Sie üben eine Scherspannung auf Wasser aus“, sagt Zhou. „Es gäbe keinen Widerstand. Da PAMs über all diese koordinierten Freiheitsgrade verfügen und die Ringe und Käfige, aus denen sie bestehen, gegeneinander gleiten wie die Glieder einer Kette, haben viele von ihnen einen sehr geringen Scherwiderstand“.

Diese dynamischen Eigenschaften machen PAMs zu einer einzigartigen Materialklasse, die sich weder in die Kategorie elastischer noch granularer Materialien einordnen lässt. Die Forschenden konnten zeigen, dass sich die Materialeigenschaften durch die Wahl von Form, Verbindung und Material der einzelnen Komponenten gezielt anpassen lassen. Dadurch eröffnet sich ein breites Spektrum an potenziellen Anwendungen, von energieabsorbierenden Helmen bis hin zu Aktoren in der Medizintechnik.

Zum jetzigen Zeitpunkt sind die möglichen Anwendungen für PAMs weitgehend spekulativ, aber dennoch faszinierend, sagt Daraio: „Diese Materialien haben einzigartige Energieabsorptionseigenschaften. Da jedes Element gleiten, rotieren und sich im Verhältnis zueinander neu organisieren kann, können sie Energie sehr effizient ableiten“, was sie zu besseren Kandidaten für den Einsatz in Helmen oder anderen Schutzausrüstungen macht als die derzeit verwendeten Schaumstoffe. Diese Eigenschaft macht sie auch für den Einsatz in Verpackungen oder in jeder Umgebung attraktiv, in der eine Dämpfung oder Stabilisierung erforderlich ist.

Co-Autor Liuchi Li (PhD ’20), jetzt Assistenzprofessor für Bau- und Umwelttechnik an der Princeton University, ist von der Zukunft der PAMs begeistert: „Wir können uns vorstellen, fortschrittliche Techniken der künstlichen Intelligenz einzusetzen, um die Erkundung dieses riesigen Designraums zu beschleunigen. Wir kratzen nur an der Oberfläche dessen, was möglich ist.

Die Forschungsergebnisse wurden in Science veröffentlicht. Daraio sieht großes Potenzial in der Weiterentwicklung dieser Materialien, insbesondere durch den Einsatz künstlicher Intelligenz, um die Gestaltungsoptionen der PAMs weiter zu erforschen. Unterstützt wurde die Arbeit durch das High-Performance Computing Center von Caltech sowie Fördermittel des US-Energieministeriums und des Army Research Office. Die Ergebnisse markieren einen vielversprechenden Schritt in der Materialforschung und könnten zukünftige Technologien entscheidend prägen.