Material mit magnetischem Formgedächtnis

Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI und der ETH Zürich haben ein neues Material entwickelt, dessen Form­gedächtnis durch Magnetismus aktiviert wird. Es handelt sich dabei 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 magneto­rheologischen Flüssigkeit. Anwendungs­gebiete für diese neue Art von Verbundstoffen sind beispiels­weise Medizin, Raumfahrt, Elektronik oder Robotik.

Winzige Partikel aus Carbonyl­eisen 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 Forscher 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 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. 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.

Die Forscher untersuchten das neue Material unter anderem mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. 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 dreißigfache 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. „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“, sagt Paolo Testa, Material­wissenschaftler an der ETH Zürich und am PSI. „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 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.

PSI / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Testa et al.: Magnetically Addressable Shape‐Memory and Stiffening in a Composite Elastomer, Adv. Mat., online 4. Juni 2019; DOI: 10.1002/adma.201900561
• Mesoskopische Systeme, Paul Scherrer Institut PSI, Villigen, Schweiz