Metawürfel mit Drehsinn

Mit 3D-Druckern für den Mikrobereich ist es Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelungen, ein Metamaterial aus würfel­förmigen Bausteinen zu schaffen, das auf Druck­kräfte mit einer Rotation antwortet. Üblicherweise gelingt dies nur mit Hilfe einer Übersetzung wie zum Beispiel einer Kurbelwelle. Das ausgeklügelte Design besteht hingegen aus Streben und Ring­strukturen.

„Übt man Kraft von oben auf einen Material­block aus, dann deformiert sich dieser in unterschiedlicher Weise. Er kann sich ausbuchten, zusammen­stauchen oder knicken“, sagt Martin Wegener, Professor am Institut für Angewandte Physik und Direktor am Institut für Nano­technologie am KIT. „Drehen wird er sich nach den geltenden Regeln der Mechanik aber nicht“, betont er. Seinem Mitarbeiter Tobias Frenzel und Kollegen ist es nun jedoch gelungen, eine filigrane Würfel­struktur zu entwerfen, die auf Belastung mit einer Rotation um die eigene Achse reagiert.

„Zunächst haben wir per Computer­simulation ein Design erarbeitet, das eine solche, bisher nicht beschriebene mechanische Eigenschaft aufweist“, erklärt Frenzel das Vorgehen. „Unsere Berechnungen zeigten, dass wir mit einer durchdachten chiralen Struktur das gewünschte Ergebnis erzielen – also einem Körper, dessen Bild und Spiegel­bild nicht deckungs­gleich sind – in etwa wie bei der linken und rechten Hand.“

Die von Frenzel und seinem Team errechneten filigranen Würfel bestehen aus Streben und Ringen, die nach einem ganz bestimmten Muster miteinander verbunden sind. „Die Arme, welche die Ringstrukturen mit den Ecken des Würfels verbinden, bewegen sich bei Belastung in der Senkrechten nach unten. Diese Bewegung führt zu einer Rotation der Ringe“, verdeutlicht Frenzel. „Diese rotierenden Bewegungen übertragen wiederum Kräfte auf die Ecken der waagerechten Flächen des Würfels, so dass sich der gesamte Körper um die eigene Achse zu drehen beginnt.“

Anschließend stellte das Team mit einer am KIT etablierten 3D-Mikro-Druck­methode Türme aus ebendiesen Würfel­strukturen in unterschiedlichen Größen, Stärken und Stückzahlen her. Die Kantenlänge der Würfel maß zwischen 100 und 500 Mikrometer. Sie konstruierten daraus Türme welche aus vier bis 500 Würfeln zusammen­gesetzt waren und zwei Millimeter Höhe aufwiesen. Um ihre Theorie zu überprüfen, produzierten sie die gleichen Türme aus achiralen Würfeln, solchen also, deren Bild und Spiegelbild übereinstimmen.

Tatsächlich drehten sich die aus chiralen Bausteinen zusammen­gesetzten Türme unter Kraft­einwirkung deutlich messbar um ihre eigene Achse. „Je einem Prozent Deformation konnten wir eine Drehung um bis zu zwei Grad messen“, bestätigt Frenzel die Ergebnisse. Die Türme aus achiralen Würfelstrukturen zeigten diese Rotation hingegen nicht. Gleichzeitig stellten die Forscher fest, dass die Steifigkeit der Türme mit der Zahl der Würfel zunahm, obwohl die Einzel­bauteile proportional immer filigranere Dimensionen einnahmen.

Eine praktische Anwendung liegt nach Einschätzung von Tobias Frenzel noch in weiter Ferne. Inspiriert wurde die Arbeit jedoch von voran­gegangenen Studien seiner Arbeitsgruppe, die sich mit „elastischen Tarnkappen“ beschäftigt. Diese könnten zum Beispiel die Stoß­wellen von Erdbeben rund um historische Gebäude abpuffern oder umleiten.

KIT / DE