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Inspiriert von Lebewesen, von Bäumen bis hin zu Muscheln, haben sich Forscher der University of Texas in Austin daran gemacht, einen Kunststoff zu schaffen, der vielen Lebensformen ähnelt, der an einigen Stellen hart und starr und an anderen weich und dehnbar ist. Ihr Erfolg - ein Novum, bei dem nur Licht und ein Katalysator verwendet werden, um Eigenschaften wie Härte und Elastizität in Molekülen desselben Typs zu verändern - hat zu einem neuen Material geführt, das zehnmal so hart wie Naturkautschuk ist und zu flexiblerer Elektronik und Robotik führen könnte. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Science veröffentlicht
Soft-Robotik
"Dies ist das erste Material seiner Art", sagt Zachariah Page, Assistenzprofessor für Chemie und korrespondierender Autor der Studie. "Die Fähigkeit, die Kristallisation und damit die physikalischen Eigenschaften des Materials mit Hilfe von Licht zu steuern, könnte für tragbare Elektronik oder Aktuatoren in der Soft-Robotik von grosser Bedeutung sein.
Wissenschaftler versuchen seit langem, die Eigenschaften von lebenden Strukturen wie Haut und Muskeln mit synthetischen Materialien zu imitieren. In lebenden Organismen kombinieren die Strukturen oft Eigenschaften wie Stärke und Flexibilität mit Leichtigkeit. Bei der Verwendung einer Mischung verschiedener synthetischer Materialien, um diese Eigenschaften nachzuahmen, versagen die Materialien oft, fallen auseinander und reissen an den Verbindungsstellen zwischen den verschiedenen Materialien.
Wenn man Materialien zusammenbringt, vor allem wenn sie sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften haben, wollen sie oft auseinanderfallen", so Page. Page und sein Team waren in der Lage, die Struktur eines plastikähnlichen Materials zu kontrollieren und zu verändern, indem sie mit Hilfe von Licht veränderten, wie fest oder dehnbar das Material sein würde.
Klein angefangen
Die Chemiker begannen mit einem Monomer, einem kleinen Molekül, das sich mit anderen ähnlichen Molekülen verbindet, um die Bausteine für grössere Strukturen, so genannte Polymere, zu bilden, die dem Polymer ähneln, das in den am häufigsten verwendeten Kunststoffen zu finden ist. Nachdem sie ein Dutzend Katalysatoren getestet hatten, fanden sie einen, der, wenn er zu ihrem Monomer hinzugefügt und mit sichtbarem Licht bestrahlt wurde, zu einem halbkristallinen Polymer führte, das denjenigen ähnelte, die in bestehendem synthetischem Kautschuk zu finden sind. In den Bereichen, die das Licht berührte, bildete sich ein härteres und steiferes Material, während die unbeleuchteten Bereiche ihre weichen, dehnbaren Eigenschaften behielten.
Da die Substanz aus einem Material mit unterschiedlichen Eigenschaften besteht, war sie stärker und konnte weiter gedehnt werden als die meisten gemischten Materialien.
Die Reaktion findet bei Raumtemperatur statt, das Monomer und der Katalysator sind im Handel erhältlich, und die Forscher verwendeten preiswerte blaue LEDs als Lichtquelle für das Experiment. Die Reaktion dauert weniger als eine Stunde, und es fallen kaum gefährliche Abfälle an, was das Verfahren schnell, kostengünstig, energieeffizient und umweltfreundlich macht.
Ausblick
Die Forscher werden als nächstes versuchen, weitere Objekte mit dem Material zu entwickeln, um seine Verwendbarkeit weiter zu testen.
"Wir freuen uns darauf, Methoden zu erforschen, mit denen diese Chemie zur Herstellung von 3D-Objekten mit harten und weichen Komponenten eingesetzt werden kann", sagte Erstautor Adrian Rylski, ein Doktorand an der UT Austin.
Das Team stellt sich vor, dass das Material als flexible Grundlage für die Verankerung elektronischer Komponenten in medizinischen Geräten oder tragbarer Technologie verwendet werden könnte. In der Robotik sind starke und flexible Materialien wünschenswert, um die Beweglichkeit und Haltbarkeit zu verbessern.
Literatur
Adrian K. Rylski et al.; Polymeric multimaterials by photochemical patterning of crystallinity; Science; 13 Oct 2022; Vol 378, Issue 6616; pp. 211-215