Schallspirale aus Flüssigmetall
Dehnbarer Lautsprecher sendet Schallwellen über einen weiten Frequenzbereich aus.
Elektronik in Kleidung integrieren – dafür sind flexible und zugleich stabile Displays, Sensoren und Stromquellen nötig. Koreanische Wissenschaftler vergrößerten den Baukasten für die „Wearables“ nun um einen dehnbaren Lautsprecher. Mit einer Spule aus Flüssigmetall emittierte der Prototyp Schallwellen im Frequenzbereich zwischen 20 und 20.000 Hertz, gut angepasst an den menschlichen Hörsinn. Auf der Basis dieser Entwicklung können sich die Forscher auch neue Hörgeräte vorstellen, die sich besser an das Ohr von Patienten anpassen.
Abb.: Dehnbarer Lautsprecher mit flüssiger Metalllegierung. (Bild: S. W. Jin et al., Korea U.)
Jeong Sook Ha und seine Kollegen von der Korea University in Seoul nahmen sich einen klassischen Lautsprecher mit metallischer Schwingspule zum Vorbild. Doch anstelle starrer, unflexibler Materialien nutzten sie die flüssige Metalllegierung Galinstan, die aus Gallium, Indium und Zinn besteht. Der Schmelzpunkt dieser im Vergleich zu Quecksilber ungiftigeren Flüssigkeit liegt bei minus 19 Grad Celsius. Eingefüllt in einen dehnbaren Gummischlauch konstruierten die Forscher eine leicht verformbare Schwingspule mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit.
Um den Gummischlauch in die gewünschte Spiralform zu bringen, fertigten die Forscher vorab mit lithografischen Methoden eine Gussform aus Siliziumdioxid. In diese füllten sie eine Mischung aus Polydimenthyldiloxan und dem biologisch abbaubaren Kunststoff Ecoflex. Das Ergebnis waren dehnbare Silikonschläuche mit 100 bis 350 Mikrometer Durchmesser. In den zu einer Spirale aufgerollten Schlauch injizierten Ha und Kollegen die flüssige Metalllegierung. Sie fixierten ihn auf einem Klebestreifen und schlossen Kupferelektroden an. In die Mitte der Spirale ergänzten sie einen kleinen Neodym-Permanentmagneten.
Abb: Dehnbarer Lautsprecher im Betrieb: Selbst eine starke Dehnung des Prototyps mindert die Schallqualität nicht. (Bild: S. W. Jin et al., Korea U.)
Dieser Lautsprecher-Prototyp von der Größe einer Nano-SIM-Karte wandelte elektrische Signale aus einem Verstärker in Schallwellen über einen Frequenzbereich von 20 bis 20.000 Hertz um. Dabei ließ sich die Schallspirale mehrere tausend Mal um bis zu fünfzig Prozent entlang einer Achse und bis zu dreißig Prozent in der Fläche ausdehnen. Dabei büßte der Lautsprecher kaum an Leistung ein, lediglich der elektrische Widerstand schwankte um bis zu zehn Prozent. Einzig der kleine Permanentmagnet und die Elektroden waren selbst nicht dehnbar. Doch wegen ihrer geringen Größe wurde die Flexibilität des Gesamtmoduls dadurch nicht eingeschränkt.
Weitere Versuche belegten, dass der dehnbare Lautsprecher sich umgekehrt auch als relativ empfindliches Mikrofon eignet. Nun könnten nach diesem Prinzip filigrane, dehnbare Lautsprecher und Mikrofone entwickelt werden, um sie etwa in zukünftigen Hörgeräten oder Wearables anzuwenden. Allerdings müsste die Gummispirale noch besser verkapselt werden, damit auch bei intensiver Beanspruchung kein Flüssigmetall austreten kann.
So pfiffig dieser Prototyp sein mag, könnten für viele Anwendungen günstigere, nicht dehnbare, dafür aber flexible Lautsprecherfolien ausreichen. Diese konnten bereits auf der Basis von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff oder mit den hauchdünnen Kohlenstofffilmen aus Graphen in einigen Laboren wie beispielsweise am Nanotechnology Research Centre der Tsinghua Universität in Peking gefertigt werden. Welches Konzept sich in Zukunft durchsetzen wird, lässt sich heute noch nicht absehen.
Jan Oliver Löfken
