Bio-inspirierte mechanisch adaptive Nanokomposite 

Projektstatus: Dieses Projekt befindet sich in der zweiten Programmphase.

 

Dieses Projekt verfolgt die Entwicklung intelligenter Polymersysteme, welche ihre mechanischen Eigenschaften auf Kommando ändern. Diese Materialien verändern sich in vorprogrammierter reversibler und selektiver Weise, wenn sie einem chemischen, optischen oder elektrischen Stimulus ausgesetzt werden, und ermöglichen verschiedene neue Anwendungen.

Hintergrund
Die Struktur und Funktionseigenschaften der in diesem Projekt verwendeten neuen Werkstoffe imitieren die Haut von Seegurken. Diese Lebewesen haben die faszinierende Fähigkeit, die Steifigkeit ihrer Haut schnell und reversibel zu ändern, wenn sie berührt werden. Dieses adaptive mechanische Verhalten erreichen sie durch eine auf einem Nanokomposit beruhende Architektur, bei der steife Kollagenfibrillen eine weiche Matrix verstärken. Die Steifigkeit dieses Gewebes wird durch die Stärke der Wechselwirkungen (und damit der Kraftübertragung) zwischen benachbarten Kollagenfibrillen reguliert. Vor kurzem konnten erste künstliche Werkstoffe hergestellt werden, welche diese Architektur erfolgreich nachahmen und ähnliche Eigenschaften zeigen wie das biologische Modell.

Ziel
Das Projekt baut auf den bereits gewonnenen Erkenntnissen und Erfahrungen auf und wendet das der Seegurke nachgeahmte Designprinzip auf breiterer Basis an. Es ist beabsichtigt, durch die Übertragung dieses Prinzips eine neue Klasse von intelligenten Materialien zu entwickeln, welche auf verschiedene Reize – chemische, elektrische, optische – stets selektiv mit einer vorprogrammierten Änderung ihrer mechanischen Eigenschaften reagieren.

Bedeutung
Die geplanten systematischen Studien werden zu einem besseren Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen dieser neuartigen Nanokomposite führen. Dieses Wissen kann genutzt werden, um neue intelligente Materialien für verschiedene spezialisierte Anwendungen zu entwickeln.

Anwendung
Die hier vorgeschlagenen chemisch schaltbaren Werkstoffe werden zum Beispiel als adaptive Autoreifen, welche auf nasser Strasse weich werden und dadurch eine bessere Bodenhaftung gewährleisten, in Betracht gezogen; sie haben auch ein Potenzial als biomedizinische Materialien in der Wiederherstellungschirurgie oder als adaptive Substrate für Mikroelektroden im Gehirn. Elektrisch schaltbare Nanokomposite eignen sich zum Beispiel für künstliche Muskeln, aktive Dämpfungssysteme oder anpassungsfähige Schutzkleidung.

Originaltitel: Bio-inspired mechanically responsive polymer nanocomposites

Eckdaten und Publikationen zum Projekt
P3-Forschungsdatenbank

Projektverantwortlicher
Prof. Christoph Weder, Adolphe Merkle Institute, Université de Fribourg