Dehnung auf Knopfdruck

Ein flexibles, bioverträgliches Komposit-Polymer dehnt sich, wenn man eine Spannung anlegt - ideal für die Medizin.

University Park (USA) - Piezoelektrische Keramiken dehnen und stauchen sich auf Knopfdruck – ganz einfach über eine angeschlossene Spannung. Module dieser Art werden beispielsweise für exakte und winzige Bewegungen in Kraftmikroskopen oder als Nanoaktuatoren genutzt. Für medizinische Anwendungen von Implantaten bis hin zu Insulinpumpen eignen sich diese Keramiken allerdings nicht. Denn Materialien für diesen Zweck müssen flexibel, bruchstabil und bioverträglich sein. Amerikanische Wissenschaftler entwickelten nun ein Komposit-Polymer mit diesen Eigenschaften, das bereits bei relativ schwachen Spannungsfeldern ausreichende Bewegungen vollführt. Diese Alternative zu Kunststoffen, die sich erst ab rund 100 Megavolt pro Meter (MV/m) ausreichend dehnen, beschreiben die Forscher im Fachblatt "Advanced Functional Materials".

"In traditionell genutzten Polymeren ist die dielektrische Konstante mit Werten unter 10 relativ klein im Vergleich zu anorganischen Verbindungen", erklären Cheng Huang und Qiming Zhang von der Pennsylvania State University das Schlüsselproblem. Denn eine elektromechanische Reaktion eines Materials in einem Spannungsfeld hängt aufgrund der möglichen elastischen Energiedichte direkt von der Größe der dielektrischen Konstanten ab. Durch die geschickte Mischung leitender Polymerpartikel aus einem Polyanilin (PANI) in eine Kunststoffmatrix konnten die beiden Forscher jedoch erstaunliche Werte von über 7000 erreichen. Bei einem Spannungsfeld von lediglich 16 MV/m beobachten sie eine Dehnung um 2,65 Prozent. Ein zehn Millimeter langes Modul könnte sich unter Spannung entsprechend um 26,5 Mikrometer ausdehnen. Ohne dieses Feld schrumpft es wieder auf seine Ursprungslänge zusammen. Ein Wert, der dieses Material vergleichbar mit anorganischen Piezokeramiken mit dielektrischen Konstanten von rund 5000 macht.

Zugleich behält dieses Mischpolymer die elastischen Eigenschaften der umgebenden Matrix aus isolierendem Kunststoff. Zwölf Volumenprozent an PANI in dem Trägerkunststoff (P(VDF-TrFE-CTFE)) zeigten in den Messungen der Wissenschaftler ein Elastizitätsmodul von 470 Megapascal. Für die Herstellung dieses Mischpolymers, das laut Aussagen der Forscher eine neue Klasse an so genannten Percolation- (engl. Durchsickern) Composites begründet, werden winzige (unter einem Mikrometer) PANI-Partikel in eine Lösung des Trägerkunststoffes in Dimethylformamid verteilt. Mit dem Einsatz von Ultraschall sorgten die Forscher für eine homogene Mischung. Auf eine Glasplatte gestrichen trocknete das Polymer-Komposit und bildete rund 50 µm dicke Schichten. Über zwei Goldelektroden konnten die Forscher variable Spannungsfelder aufbauen. Die longitudinale Ausdehnung verhielt sich dabei proportional zum Quadrat der angelegten Spannung und konnte mit einem empfindlichen Hebelsensor gemessen werden.

Brüche wie bei einer starken mechanischen Beanspruchung von spröden Piezokeramiken müssen mit dieser Substanz nicht gefürchtet werden. Mit höheren Anteilen des Leitungs-Polymers PANI verstärkt sich zwar die mögliche Materialdehnung geringfügig, doch zugleich büßt das Modul Elastizität ein. Ausgehend von diesem Ergebnis können für medizinische Anwendungen weitere Komposite entwickelt werden, die bioverträglich wären und somit vom Immunsystem eines Organismus nicht mehr bekämpft würden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  C. Huang, Q. Zhang, Enhanced Dielectric and Electromechanical Responses in High Dielectric Constant All-Polymer Percolative Composites, Advanced Functional Materials 14, 501 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1002/adfm.200305021 
• Pennsylvania State University: 
  http://www.psu.edu/ 
• Electrical Engineering Department: 
  http://www.ee.psu.edu 
• Materials Research Institute: 
  http://www.mri.psu.edu/ 
• Konferenz für elektroaktive Polymere:
  http://www.spie.org/Conferences/Programs/04/ss/conferences/index.cfm?fuseaction=5385 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema elektroaktive Polymere finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Materialwissenschaften.

Weitere Literatur:

• Landau, E.M. Lifshitz, Electrodynamics of Continuous Media, Pergamon, Oxford, 1970. 
• A.K. Jonscher, Dielectric Relaxation in Solids, Chelsea Dielectric Press, London, 1983. 
• A.R: Blythe, Electrical Porperties of Polymers, Cambridge University Press, Cambridge,