Formgedächtnis-Kunststoffe erstmals mit umkehrbarer Formänderung

15.07.2013 - Deutschland

Teltower Biomaterialforscher haben Kunststoffe entwickelt, die bei einer wählbaren Temperaturschwankung immer wieder in ihrer Form hin- und herwechseln. Das von seinen Schöpfern als „Polymer-Aktuatoren“ bezeichnete Material überwindet damit eine entscheidende Beschränkung ähnlicher Werkstoffe. Bisher konnten Polymere mit temperaturgesteuertem Formgedächtnis nur ein einziges Mal von einer Form in die andere umschalten. Das neue Material bedeutet den Durchbruch zu vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten – von automatischen Jalousien ohne Strom bis hin zu neuartigen Wärmekraftmaschinen. Die Polymer-Aktuatoren wurden jetzt in PNAS von Wissenschaftlern des Teltower Instituts für Biomaterialforschung des Helmholtz- Zentrums Geesthacht vorgestellt.

In dem Modell einer Fensterjalousie werden die Temperatur-Gedächtnis Polymer-Aktuatoren zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Lamellen genutzt. Der Temperaturbereich, in dem sich die Lamellen der Jalousie bewegen, ist programmierbar. Diese Fähigkeit wird als Temperatur-Gedächtnis bezeichnet.

„Unsere Aktuatoren können viele hundert Mal die Form ändern, sobald die Umgebungstem-peratur bestimmte Schwellenwerte über- und wieder unterschreitet“, sagt Professor Andreas Lendlein, Leiter des Instituts für Biomaterialforschung. Sowohl die Schwellenwerte als auch die Art der Formänderung seien durch die Programmierung der Kunststoffe relativ frei wähl-bar. Lendlein kann sich deshalb unterschiedlichste Anwendungen mit dem neuen Material vorstellen.

Denkbar ist eine Wärme-Kraft Maschine, in der die Aktuatoren die Basis für ein Antriebselement bilden. In einem Experiment demonstrieren die Teltower Wissenschaftler das Funktionsprinzip der Maschine, in der sich bei Erwärmung ein Kunststoff entfaltet und damit eine Antriebseinheit bewegt. Beim Abkühlen wird der Ursprungszustand wieder eingenommen. Über das Temperaturgedächtnis lässt sich die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebseinheit steuern.

Die aktiv-beweglichen Polymere sind auf molekularer Ebene aus Strukturelementen aufgebaut, die über einen sehr breiten Temperaturbereich ihre Beweglichkeit ändern. Um die Aktivität auf Nanoebene in makroskopische Bewegung umzuwandeln, werden diese Strukturelemente zu einem Teil einem internen Gerüst zugeordnet, welches die Bewegungsgeometrie festlegt und der Bewegung eine Orientierung verleiht. „Der Anteil zwischen Bewegungselementen und formgebenden Elementen kann dabei variiert werden, worüber wir die Bewegung steuern können“, erklärt Dr. Marc Behl, Abteilungsleiter am Teltower Institut.

Originalveröffentlichung

Marc Behl, Karl Kratz, Ulrich Nöchel, Tilmann Sauter, Andreas Lendlein: "Temperature-memory Polymer Actuators,"; Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), 2013

https://www.chemie.de/news/143989/formgedaechtnis-kunststoffe-erstmals-mit-umkehrbarer-formaenderung.html